KR102638399B1 - 촉매-전극 구조체 및 그를 이용한 전기화학적 반응장치 및 이산화탄소 활용시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도전성 물질로 이루어진 전극 몸체; 상기 전극 몸체의 일 측에서 상기 전극 몸체를 관통하는 홀로 이루어진 입구; 상기 전극 몸체의 타 측에서 상기 전극 몸체를 관통하는 홀로 이루어진 출구; 상기 전극 몸체의 일 면에 구비된 홈으로 이루어지면서 상기 입구와 상기 출구 사이를 연결하는 유로; 및 상기 유로에 충진된 촉매를 포함하여 이루어진 촉매-전극 구조체 및 그를 이용한 전기화학적 반응장치와 이산화탄 활용 시스템을 제공한다.

Description

촉매-전극 구조체 및 그를 이용한 전기화학적 반응장치 및 이산화탄소 활용시스템{Catalyst-Electrode Structure and Electrochemical Reactor using the same and System of utilizing Carbon Dioxide using the same}
본 발명은 이산화탄소를 환원하기 위한 전기화학적 반응장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기화학적 반응장치에 이용될 수 있는 촉매-전극 구조체에 관한 것이다.
지구 상의 탄소순환은 대기 중의 이산화탄소의 증가로 인해서 그 균형이 깨지고 있다. 대기 중의 이산화탄소의 증가는 공장, 발전소 또는 자동차 등으로부터 이산화탄소 배출량의 증가가 그 주요 원인이 되고 있다.
따라서, 대기 중의 이산화탄소를 제거하기 위해서 이산화탄소의 전기화학적 환원 및 그에 따른 유용한 합성 가스의 생산에 대한 연구가 꾸준히 진행되고 있다.
지금까지 이산화탄소를 환원하여 다양한 합성 가스를 생산할 수 있는 전기화학적 반응 장치에 대해서 제안되었지만, 아직까지 합성 가스의 전환효율이 저조한 상태이다.
본 발명은 전술한 종래의 실정을 감안하여 고안된 것으로서, 본 발명은 이산화탄소의 전환효율을 향상시킬 수 있는 촉매-전극 구조체 및 그를 이용한 전기화학적 반응장치와 이산화탄 활용 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 도전성 물질로 이루어진 전극 몸체; 상기 전극 몸체의 일 측에서 상기 전극 몸체를 관통하는 홀로 이루어진 입구; 상기 전극 몸체의 타 측에서 상기 전극 몸체를 관통하는 홀로 이루어진 출구; 상기 전극 몸체의 일 면에 구비된 홈으로 이루어지면서 상기 입구와 상기 출구 사이를 연결하는 유로; 및 상기 유로에 충진된 촉매를 포함하여 이루어진 촉매-전극 구조체를 제공한다.
상기 촉매는 상기 유로 내부 전체에 충진되어 상기 유로의 하면 및 측면 모두와 접촉할 수 있다.
상기 촉매 상단의 높이는 상기 전극 몸체의 일 면의 높이와 동일할 수 있다.
상기 촉매가 상기 입구 또는 상기 출구로 흐르는 것을 방지하기 위한 차단벽이 추가로 구비될 수 있다.
상기 차단벽은 상기 입구와 상기 유로 사이의 경계면에 구비된 제1 차단벽 및 상기 출구와 상기 유로 사이의 경계면에 구비된 제2 차단벽을 포함할 수 있다.
상기 제1 차단벽 및 상기 제2 차단벽 각각은 복수의 홀을 포함하고 있고, 상기 복수의 홀의 직경은 상기 촉매의 직경보다 작을 수 있다.
상기 유로는 굴곡된 직선 구조, 굴곡된 곡선 구조, 및 메쉬 구조 중 적어도 하나의 구조를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 전극 몸체의 일 면에 구비된 홈으로 이루어지면서, 상기 입구, 상기 출구, 및 상기 유로의 외곽에 구비된 밀봉홈을 추가로 포함하고, 상기 유로의 홈의 깊이는 상기 밀봉홈의 홈의 깊이보다 깊게 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 서로 마주하는 환원전극과 산화전극; 상기 환원전극과 상기 산화전극 사이에 구비된 분리막; 상기 환원전극과 연결된 환원물질 입출입부; 및 상기 산화전극과 연결된 산화물질 입출입부를 포함하여 이루어지고, 상기 환원전극과 상기 산화전극 중 적어도 하나의 전극은 전술한 촉매-전극 구조체로 이루어진 전기화학적 반응장치를 제공한다.
상기 분리막은 상기 전극 몸체에 구비된 입구, 출구 및 유로와 중첩되면서 상기 촉매 및 상기 전극 몸체의 일 면과 접할 수 있다.
상기 환원전극에 HCO3 -을 포함하는 3차 아민 수용액이 투입되어 일산화탄소와 수소를 생성할 수 있다.
상기 분리막은 양극성 막으로 이루어지고, 상기 양극성 막은 OH-가 상기 산화전극으로 이동하고, H+는 상기 환원전극으로 이동하도록 구비되고, HCO3 -가 상기 산화전극으로 이동하지 않도록 구비될 수 있다.
본 발명은 또한, 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집장치; 상기 이산화탄소 포집장치에서 포집한 이산화탄소를 환원하여 합성가스를 생산하는 전기화학적 반응장치; 상기 전기화학적 반응장치에서 생산한 합성가스를 이용하여 수소운반체 물질을 제조하는 수소운반체 제조장치; 상기 수소운반 제조장치에서 제조한 수소운반체 물질로부터 수소를 생산하는 탈수소 장치; 및 상기 탈수소 장치에서 생산한 수소를 활용하는 수소 활용 장치를 포함하고, 상기 전기화학적 반응장치는 전술한 전기화학적 반응장치로 이루어진 이산화탄소 활용 시스템을 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 환원전극을 구성하는 촉매-전극 구조체가 유로를 구비한 전극 몸체 및 상기 유로에 충진된 촉매를 포함하여 이루어짐으로써, 이산화탄소가 상기 유로를 통과하면서 상기 촉매와의 접촉면적이 증가할 수 있게 되어 이산화탄소의 전환효율이 향상될 수 있다. 유사하게, 산화전극을 구성하는 촉매-전극 구조체가 유로를 구비한 전극 몸체 및 상기 유로에 충진된 촉매를 포함하여 이루어짐으로써, 전해질 수용액이 상기 유로를 통과하면서 상기 촉매와의 접촉면적이 증가할 수 있게 되어 산소가스의 생성율이 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 이산화탄소 포집장치에서 포집된 이산화탄소를 아민 수용액으로부터 분리하는 분리공정을 거치지 않고 아민 수용액에 이산화탄소가 포집된 상태, 보다 구체적으로, HCO3 -을 포함한 아민 수용액이 전기화학적 반응장치로 투입되므로, 이산화탄소 분리 공정 비용이 절약되고, 이산화탄소 전환효율이 향상되고, 이산화탄소가 상대전극으로 넘어가는 크로스오버가 발생하지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 전기화학적 반응장치의 분리막이 양극성 막(bipolar membrane)으로 이루어짐으로써, 환원전극에서 수소 생성효율이 향상되고 산화전극에서 산소 생성 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 탈수소 장치에서 수소를 생산하여 수소 활용 장치로 공급함과 더불어 탈수소 장치에서 이산화탄소를 생산하여 이산화탄소 포집장치로 공급함으로써, 이산화탄소를 순환시켜 재활용하는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 반응장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매-전극 구조체의 평면도이다.
도 3은 도 2의 A-B라인의 단면도이다.
도 4는 도 2의 C-D라인의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원전극, 산화전극 및 분리막의 결합구조를 보여주는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매-전극 구조체의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학적 반응장치의 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 개략도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면에 개시된 형상, 크기, 비율, 각도, 개수 등은 예시적인 것이므로 본 발명이 도시된 사항에 한정되는 것은 아니다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서 상에서 언급한 '포함한다', '갖는다', '이루어진다' 등이 사용되는 경우 '~만'이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별히 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함한다.
구성 요소를 해석함에 있어서, 별도의 명시적 기재가 없더라도 오차 범위를 포함하는 것으로 해석한다.
위치 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~상에', '~상부에', '~하부에', '~옆에' 등으로 두 부분의 위치 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 두 부분 사이에 하나 이상의 다른 부분이 위치할 수도 있다.
시간 관계에 대한 설명일 경우, 예를 들어, '~후에', '~에 이어서', '~다음에', '~전에' 등으로 시간적 선후 관계가 설명되는 경우, '바로' 또는 '직접'이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않는다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.
본 발명의 여러 실시예들의 각각 특징들이 부분적으로 또는 전체적으로 서로 결합 또는 조합 가능하고, 기술적으로 다양한 연동 및 구동이 가능하며, 각 실시예들이 서로에 대하여 독립적으로 실시 가능할 수도 있고 연관 관계로 함께 실시할 수도 있다.
이하, 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 반응장치의 개략도이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 반응장치는 환원전극(10), 산화전극(20), 분리막(30), 환원물질 입출입부(40), 및 산화물질 입출입부(50)를 포함하여 이루어진다.
상기 환원전극(10)은 상기 환원물질 입출입부(40)로부터 공급받은 이산화탄소를 환원시켜 합성가스를 생성할 수 있다. 상기 환원전극(10)은 후술하는 촉매-전극 구조체로 이루어지며, 촉매의 종류 등에 따라 일산화탄소, 개미산, 또는 에틸렌 등과 같은 다양한 합성가스를 생성할 수 있다.
상기 산화전극(20)은 상기 산화물질 입출입부(50)로부터 공급받은 물을 산화시켜 산소가스를 생성할 수 있다. 상기 산화전극(20)도 후술하는 촉매-전극 구조체로 이루어질 수 있다.
상기 분리막(30)은 상기 환원전극(10)과 상기 산화전극(20) 사이에 구비되어 있다. 상기 분리막(30)은 당업계에 공지된 다양한 이온교환막으로 이루어질 수 있다.
상기 환원물질 입출입부(40)는 외부의 제1 저장장치에 저장된 환원물질을 상기 환원전극(10) 내부로 공급함과 더불어 상기 환원전극(10)에서 생성된 합성가스를 외부의 제2 저장장치로 보내는 역할을 할 수 있다. 이를 위해서, 상기 환원물질 입출입부(40)는 입구(41)와 출구(42)를 포함하여 이루어진다. 상기 환원물질 입출입부(40)의 입구(41)를 통해서 이산화탄소가 상기 환원전극(10) 내부로 들어가고, 상기 환원물질 입출입부(40)의 출구(42)로부터 합성가스가 상기 환원전극(10) 외부로 나오게 된다.
상기 산화물질 입출입부(50)는 외부의 제3 저장장치에 저장된 산화물질을 상기 산화전극(20) 내부로 공급함과 더불어 상기 산화전극(20)에서 생성된 산소가스를 외부의 제4 저장장치로 보내는 역할을 할 수 있다. 이를 위해서, 상기 산화물질 입출입부(50)는 입구(51)와 출구(52)를 포함하여 이루어진다. 상기 산화물질 입출입부(50)의 입구(51)를 통해서 전해질 수용액이 상기 산화전극(20) 내부로 들어가고, 상기 산화물질 입출입부(50)의 출구(52)로부터 산소가스가 상기 산화전극(20) 외부로 나오게 된다.
상기 환원물질 입출입부(40) 및 산화물질 입출입부(50)는 전기화학적 반응장치의 집전체로 기능할 수 있다.
본 명세서에서 환원물질은 환원의 대상의 되는 물질을 의미하고 산화물질은 산화의 대상이 되는 물질을 의미한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매-전극 구조체의 평면도이고, 도 3은 도 2의 A-B라인의 단면도이고, 도 4는 도 2의 C-D라인의 단면도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매-전극 구조체는 전극 몸체(100) 및 촉매(200)를 포함하여 이루어진다.
상기 전극 몸체(100)는 소정 형상, 예로서 사각형 플레이트 구조로 이루어질 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다. 상기 전극 몸체(100)는 도전성 물질로 이루어질 수 있다.
상기 전극 몸체(100)에는 입구(110) 및 출구(120)가 구비되어 있다. 상기 입구(110)는 상기 전극 몸체(100)의 일측, 예로서 사각형 플레이트의 일 모서리 근방에 형성될 수 있으며, 상기 전극 몸체(100)를 관통하는 홀로 이루어진다. 상기 출구(120)는 상기 전극 몸체(100)의 타측, 예로서 사각형 플레이트의 다른 모서리 근방에 형성될 수 있으며, 상기 전극 몸체(100)를 관통하는 홀로 이루어진다. 도시한 바와 같이, 상기 전극 몸체(100)의 입구(110) 및 출구(120)는 사각형 플레이트의 대각선 방향의 두 모서리에서 서로 마주하도록 형성될 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매-전극 구조체가 전술한 도 1의 환원전극(10)을 구성할 경우, 상기 전극 몸체(100)의 입구(110)는 전술한 도 1의 상기 환원물질 입출입부(40)의 입구(41)와 연통되고, 상기 전극 몸체(100)의 출구(120)는 전술한 도 1의 환원물질 입출입부(40)의 출구(51)와 연통된다. 또는, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매-전극 구조체가 전술한 도 1의 산화전극(20)을 구성할 경우, 상기 전극 몸체(100)의 입구(110)는 전술한 도 1의 산화물질 입출입부(50)의 입구(51)와 연통되고, 상기 전극 몸체(100)의 출구(120)는 전술한 도 1의 산화물질 입출입부(50)의 출구(52)와 연통된다.
상기 전극 몸체(100)에는 상기 입구(110) 및 출구(120) 사이에 유로(130)가 형성되어 있다. 상기 유로(130)는 상기 입구(110)와 상기 출구(120) 사이를 연결하면서 상기 전극 몸체(100)의 제1 면(101)에 구비된 음각의 홈의 구조로 이루어진다. 따라서, 상기 입구(110)를 통해 들어온 환원물질 또는 산화물질은 상기 유로(130)를 따라 이동하면서 상기 출구(120)를 통해 빠져나갈 수 있다.
상기 전극 몸체(100)에는 상기 입구(110), 상기 출구(120), 및 상기 유로(130)의 외곽에 밀봉홈(140)이 형성되어 있다. 상기 밀봉홈(140)은 상기 입구(110) 및 상기 출구(120)의 외곽 영역에서 상기 입구(110) 및 상기 출구(120)의 홀 형상에 대응하는 곡선형 구조를 가지면서 전체적으로 폐쇄된 루프 구조로 이루어질 수 있다.
상기 밀봉홈(140)은 상기 몸체(100)의 제1 면(101)에 구비된 음각의 홈의 구조로 이루어진다. 상기 밀봉홈(140)은, 도 1에서와 같이 서로 마주하게 되는 산화전극(10)과 환원전극(20) 사이를 밀봉하는 역할을 하며, 상기 밀봉홈(140) 내에는 밀봉부재가 삽입된다.
상기 밀봉홈(140)의 안쪽 영역이 반응영역이 되며, 따라서 상기 밀봉홈(140)의 안쪽 영역에 전술한 도 1의 분리막(30)이 배치된다. 상기 분리막(30)은 상기 몸체(100)의 유로(130)와 중첩될 뿐만 아니라 상기 몸체(100)의 입구(110) 및 출구(120)와도 중첩될 수 있다. 상기 분리막(30)은 상기 밀봉홈(140)의 안쪽 영역에 대응하는 형상을 가지도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극 몸체(100)에는 제1 차단벽(150) 및 제2 차단벽(160)이 구비되어 있다. 상기 제1 차단벽(150) 및 제2 차단벽(160)은 상기 촉매(200)가 상기 입구(110) 또는 상기 출구(120)로 흐르는 것을 방지하도록 구비된다.
상기 제1 차단벽(150)은 상기 입구(110)와 상기 유로(130) 사이의 경계면에 구비되어 있고, 상기 제2 차단벽(160)은 상기 출구(120)와 상기 유로(130) 사이의 경계면에 구비되어 있다. 따라서, 상기 제1 차단벽(150) 및 제2 차단벽(160)에 의해서 상기 유로(130)에 충진된 촉매(200)가 상기 입구(110) 또는 상기 출구(120)로 유입되는 것이 차단될 수 있다.
상기 촉매(200)는 상기 전극 몸체(100)의 상기 유로(130) 내에 충진되어 있다. 상기 촉매(200)는 복수의 입자 구조물로 이루어질 수 있다. 상기 촉매(200)는 당업계에 공지된 환원 촉매 또는 산화 촉매로 이루어질 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 전극 몸체(100)의 입구(110) 및 출구(120)는 각각 상기 전극 몸체(100)의 제1 면(101), 예로서 상면에서부터 상기 제1 면(101)과 마주하는 제2 면(102), 예로서 하면까지 관통된 홀 구조로 이루어진다.
상기 유로(130)는 상기 전극 몸체(100)의 제1 면(101)에 구비되며, 상기 입구(110)와 상기 출구(120) 사이를 연결한다.
상기 밀봉홈(140)은 상기 입구(110) 및 상기 출구(120)의 외곽에 형성되며, 상기 전극 몸체(100)의 제1 면(101)에 구비된다.
상기 제1 차단벽(150)은 상기 입구(110)와 상기 유로(130) 사이의 경계면에서 상기 유로(130)의 하면 상에 구비되어 있고, 상기 제2 차단벽(160)은 상기 출구(120)와 상기 유로(130) 사이의 경계면에서 상기 유로(130)의 하면 상에 구비되어 있다. 상기 제1 차단벽(150) 및 제2 차단벽(160)의 상단의 높이는 상기 전극 몸체(100)의 제1 면(101)의 높이와 동일하게 형성될 수 있다. 도 3에서 화살표로 인출된 도면을 참조하면, 상기 제1 차단벽(150) 및 제2 차단벽(160) 각각에는 복수의 홀(H)이 구비되어 있어서, 상기 복수의 홀(H)을 통해서 액체 또는 기체의 반응물질이 용이하게 이동할 수 있다.
상기 촉매(200)는 상기 유로(130) 내에 충진되어 있다. 상기 촉매(200)의 직경은 상기 제1 차단벽(150) 및 제2 차단벽(160) 각각에 구비된 복수의 홀(H)의 직경보다 크게 형성되어, 상기 촉매(200)가 상기 홀(H)을 통해 이동할 수 없게 된다. 따라서, 상기 촉매(200)는 상기 제1 차단벽(150) 및 상기 제2 차단벽(160)에 의해서 상기 입구(110) 및 상기 출구(120)로 흐르지 않고 상기 유로(130) 내에 갇히게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉매-전극 구조체가 전술한 도 1의 환원전극(10)을 구성할 경우, 상기 입구(110)를 통해 이산화탄소가 공급되고, 공급된 이산화탄소는 상기 제1 차단벽(150)의 홀(H)을 통과한 후 상기 유로(130)를 통해 이동하면서 상기 촉매(200)와 접촉하면서 반응을 하여 합성 가스를 생산하고, 생산된 합성 가스는 상기 제2 차단벽(160)의 홀(H)을 통과한 후 상기 출구(120)를 통해 배출된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매-전극 구조체가 전술한 도 1의 산화전극(20)을 구성할 경우, 상기 입구(110)를 통해 물을 포함한 전해질 수용액이 공급되고, 공급된 물은 상기 제1 차단벽(150)의 홀(H)을 통과한 후 상기 유로(130)를 통해 이동하면서 상기 촉매(200)와 접촉하면서 반응을 하여 산소 가스를 생산하고, 생산된 산소 가스는 상기 제2 차단벽(160)의 홀(H)을 통과한 후 상기 출구(120)를 통해 배출된다.
도 4를 참조하면, 상기 유로(130)와 상기 밀봉홈(140)은 상기 전극 몸체(100)의 제1 면(101)에 구비된 홈 구조로 이루어진다. 이때, 상기 유로(130)의 깊이(H1)가 상기 밀봉홈(140)의 깊이(H2)보다 깊게 형성될 수 있다. 그에 따라, 상기 유로(130) 내부에 충분한 양의 촉매(200)가 충진될 수 있어 환원물질 또는 산화물질이 촉매(200)와의 접촉면적이 증가될 수 있다.
상기 촉매(200)는 상기 유로(130)의 내부 전체에 충진될 수 있다. 따라서, 상기 촉매(200)는 상기 유로(130)의 하면 및 측면 모두와 접촉할 수 있고, 그에 따라, 상기 유로(130)를 따라 이동하는 환원물질 또는 산화물질이 상기 촉매(200)와의 접촉면적을 증가시킬 수 있다. 상기 촉매(200)의 상단은 상기 전극 몸체(100)의 제1 면(101)과 동일한 높이로 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원전극, 산화전극 및 분리막의 결합구조를 보여주는 단면도이다.
도 5에서 알 수 있듯이, 환원전극(10)과 산화전극(20)은 전술한 도 2 내지 도 4에 따른 촉매-전극 구조체로 이루어진다.
이때, 상기 환원전극(10)을 구성하는 촉매-전극 구조체의 촉매(200)는 상기 산화전극(20)을 구성하는 촉매-전극 구조체의 촉매(200)와 마주하고 있다. 또한, 상기 환원전극(10)을 구성하는 촉매-전극 구조체의 밀봉홈(140)은 상기 산화전극(20)을 구성하는 촉매-전극 구조체의 밀봉홈(140)과 중첩되면서 마주하고 있다.
상기 환원전극(10)과 상기 산화전극(20) 사이에는 분리막(30)과 밀봉부재(300)가 형성되어 있다.
상기 분리막(30)은 상기 환원전극(10)의 촉매(200) 및 상기 산화전극(20)의 촉매(200)와 접하도록 구비되어 있다. 또한, 상기 분리막(30)은 상기 환원전극(10)의 제1 및 제2 차단벽(150, 160) 및 상기 산화전극(20)의 제1 및 제2 차단벽(150, 160)과 접하도록 구비되어 있다.
또한, 상기 분리막(30)은 상기 환원전극(10)을 구성하는 촉매-전극 구조체의 입구(110) 및 출구(120)와 중첩됨과 더불어 상기 산화전극(20)을 구성하는 촉매-전극 구조체의 입구(110) 및 출구(120)와도 중첩된다. 또한, 상기 분리막(30)은 상기 환원전극(10)을 구성하는 촉매-전극 구조체의 제1 면(101) 및 상기 산화전극(20)을 구성하는 촉매-전극 구조체의 제1 면(101)과도 접하도록 연장될 수 있다. 또한, 상기 분리막(30)의 양 끝단은 상기 밀봉부재(300)와 접할 수 있다.
상기 밀봉부재(300)는 상기 환원전극(10)을 구성하는 촉매-전극 구조체의 밀봉홈(140) 및 상기 산화전극(20)을 구성하는 촉매-전극 구조체의 밀봉홈(140)에 삽입되어 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매-전극 구조체의 평면도이다. 도 6에 따른 촉매-전극 구조체는 유로(130)의 구조가 변경된 것을 제외하고 전술한 도 2에 따른 촉매-전극 구조체와 동일하다. 따라서, 동일한 구성에 대해서 동일한 도면부호를 부여하였고, 이하에서는 상이한 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도 2의 경우, 유로(130)가 입구(110)와 출구(120) 사이에서 굴곡된 직선 구조로 이루어진다. 그에 반하여, 도 6의 경우, 유로(130)가 입구(110)와 출구(120) 사이에서 메쉬(mesh) 구조로 이루어진다. 도 2의 경우에 비하여 도 6의 경우는 유로(130)의 길이가 연장될 수 있고 그에 따라 상기 유로(130)를 통해 흐르는 환원물질 또는 산화물질이 상기 유로(130) 내부에 충진되는 촉매(200)와의 접촉시간을 증가시켜 반응효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 유로(130)가 반드시 도 2 또는 도 6의 구조로 한정되는 것은 아니고, 상기 입구(110)와 출구(120) 사이를 연결할 수 있는 다양한 구조를 포함할 수 있다. 예로서, 상기 유로(130)는 상기 입구(110)와 출구(120) 사이를 연결하는 다양한 곡선형 유로를 포함할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학적 반응장치의 개략도이다.
도 7에서 알 수 있듯이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기화학적 반응장치는 환원전극(10), 산화전극(20), 분리막(30), 환원물질 입출입부(40), 산화물질 입출입부(50), 환원물질 순환부(60), 및 산화물질 순환부(70)를 포함하여 이루어진다.
상기 환원전극(10) 및 상기 산화전극(20) 중 적어도 하나는 전술한 실시예에서 따른 촉매-전극 구조체로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 환원전극(10)은 이산화탄소가 환원되어 일산화탄소와 수소가 생성될 수 있도록 구비된다. 이를 위해서 상기 환원전극(10)은 은 촉매, 특히 은 나노 촉매를 포함할 수 있지만, 반드시 그에 한정되는 것은 아니다.
상기 환원전극(10)에는 이산화탄소가 포집된 아민 수용액이 투입될 수 있다.
상기 아민은 3차 아민, 바람직하게는 OH기가 없는 3차 아민을 포함한다. 상기 OH기가 없는 3차 아민은 트리에틸아민(triethylamine; TEA)을 포함할 수 있다.
상기 트리에틸아민(triethylamine; TEA)은 아래 화학식 1과 같은 R3N(여기서, R은 CH2CH3)로 표현될 수 있다.
화학식 1
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이산화탄소가 아민용액에 포집된 상태로 상기 환원전극(10)에 투입될 수 있는데, 상기 아민 수용액을 이용한 이산화탄소 포집반응은 아래 반응식 1과 같다.
반응식 1
CO2 + R3N + H2O → R3NH+ +HCO3 -
따라서, 이산화탄소가 HCO3 -와 같은 이온의 상태로 아민 수용액에 포함되며, 이와 같은 HCO3 -을 포함한 아민 수용액이 상기 환원전극(10)으로 투입될 수 있다.
상기 환원물질 입출입부(40)는 상기 환원물질 순환부(60)와 상기 환원전극(10) 사이를 연결하며, 입구(41)와 출구(42)를 포함하여 이루어진다.
상기 입구(41)를 통해서 상기 환원물질 순환부(60)에 저장되어 있는 이산화탄소가 포집된 아민 수용액이 상기 환원전극(10) 내부로 들어가고, 상기 출구(42)로부터 이산화탄소의 환원을 통해 생성된 합성 가스 및 미반응된 이산화탄소가 포집된 아민 수용액이 상기 환원전극(10)의 외부로 나오게 된다. 상기 출구(42)에서 나오는 합성 가스 및 미반응된 이산화탄소가 포집된 아민 수용액은 다시 상기 환원물질 순환부(60)로 공급된다. 이때, 일산화탄소와 수소를 포함하는 상기 합성 가스는 상기 환원물질 순환부(60)에서 분리되고, 상기 미반응된 이산화탄소가 포집된 아민 수용액은 상기 입구(41)를 통해 상기 환원전극(10) 내부로 이동한다.
이상과 같은 상기 환원전극(10)에서는 아래와 같은 반응식 2와 반응식 3의 연속 반응이 일어나면서 일산화탄소가 생성된다.
반응식 2
HCO3 - + H+ → CO2 + H2O
반응식 3
CO2 + H2O + 2e- → CO + 2OH-
상기 산화물질 입출입부(50)는 상기 산화물질 순환부(70)와 상기 산화전극(20) 사이를 연결하면서 입구(51)와 출구(52)를 포함하여 이루어진다.
상기 입구(51)를 통해서 상기 산화물질 순환부(70)에 저장되어 있는 전해질 수용액이 상기 산화전극(20) 내부로 들어가고, 상기 출구(52)로부터 상기 산화전극(20) 근방에서 생성된 산소 및 전해질 수용액이 상기 산화전극(20)의 외부로 나오게 된다. 상기 출구(52)에서 나오는 전해질 수용액은 다시 상기 산화물질 순환부(70)로 공급된다. 이때, 산소는 상기 산화물질 순환부(70)에서 분리될 수 있다.
이상과 같은 상기 산화전극(10)에서는 아래와 같은 반응식 4의 반응이 일어나면서 산소가 생성된다.
반응식 4
2OH- → 2e- + 1/2 O2 + H2O
상기 분리막(30)은 상기 환원전극(10)과 상기 산화전극(20) 사이에 구비되어 있다. 상기 분리막(30)은 양극성 막(bipolar membrane)으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 분리막(30)은 음이온 교환막으로 이루어진 경우, 3차 아민 수용액에 포함된 중탄산이온(HCO3-)이 상기 산화전극(20) 쪽으로 이동할 수 있고, 그 결과, 상기 환원전극(10) 쪽에 존재하는 이산화탄소의 양이 줄어들어 상기 환원전극(10)에서 이루어지는 합성 가스 생성 반응의 효율이 저하될 수 있다.
또한, 상기 분리막(30)이 양이온 교환막으로 이루어진 경우, 3차 아민 수용액에 포함된 수소화된 아민, 예로서 (CH2CH3)3NH+ 이온이 상기 산화전극(20) 쪽으로 이동할 수 있고, 상기 산화전극(20) 쪽의 수용액 내의 전해질 양이온, 예로서 수산화칼륨에서 유래된 칼륨 이온(K+)이 상기 환원전극(10) 쪽으로 이동할 수 있고, 그 결과, 상기 환원전극(10) 쪽에서 이루어지는 합성 가스 생성 반응의 효율이 저하될 수 있다
그에 반하여, 상기 분리막(30)이 양극성 막으로 이루어진 경우, 상기 분리막(30)은 OH-는 상기 산화전극(20)으로 이동하도록 하고, H+는 상기 환원전극(10)으로 이동하도록 하며, 또한, HCO3 -가 상기 산화전극(20)으로 이동하지 않도록 하여, 상기 환원전극(10)에서 수소 생성효율이 향상되고 상기 산화전극(20)에서 산소 생성 효율이 향상될 수 있다.
상기 환원물질 순환부(60)는 이산화탄소가 포집된 아민 수용액을 상기 환원전극(10)으로 공급하고, 상기 환원전극(10)에서 생성된 합성 가스 및 미반응된 이산화탄소가 포집된 아민 수용액을 수용하는 역할을 한다.
상기 환원물질 순환부(60)와 상기 환원전극(10) 사이에는 펌프가 마련되어 있어 5바(bar) 이상, 바람직하게는 20바(bar) 이상의 고압의 상태로 이산화탄소가 포집된 아민 수용액을 상기 환원전극(10)으로 공급할 수 있다.
상기 합성 가스는 상기 환원물질 순환부(60)에서 분리되어 후술하는 수소운반체 제조장치로 공급될 수 있고, 상기 미반응된 이산화탄소가 포집된 아민 수용액은 상기 환원전극(10) 내부로 이동하면서 순환하게 된다.
상기 산화물질 순환부(70)는 KOH와 같은 전해질 수용액을 상기 산화전극(20)으로 공급하고, 상기 산화전극(20)에서 생성된 산소 및 전해질 수용액을 수용하는 역할을 한다. 상기 산화물질 순환부(70)와 상기 산화전극(20) 사이에도 펌프가 마련될 수 있다.
상기 산소는 상기 산화물질 순환부(70)에서 분리되고, 상기 전해질 수용액은 상기 산화전극(20) 내부로 이동하면서 순환하게 된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 개략도이다.
도 8에서 알 수 있듯이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템은 이산화탄소 포집장치(1), 전기화학적 반응장치(2), 수소운반체 제조장치(3), 탈수소 장치(4) 및 수소 활용장치(5)를 포함하여 이루어진다.
상기 이산화탄소 포집장치(1)는 다양한 분야에서 생성되는 이산화탄소, 예로서 공장, 발전소 또는 자동차 등에 의해서 대기 중에 포함되어 있는 이산화탄소를 포집하는 장치로서, 아민 수용액을 포함하여 이루어진다. 구체적으로, 상기 이산화탄소 포집장치(1)는 아민과 물을 포함하여 이루어지며, 상기 아민은 3차 아민, 바람직하게는 OH기가 없는 3차 아민을 포함한다. 상기 OH기가 없는 3차 아민은 트리에틸아민(triethylamine; TEA)을 포함할 수 있다.
상기 전기화학적 반응장치(2)는 상기 이산화탄소 포집장치(1)에서 포집된 이산탄소를 이용하여 합성 가스를 생성한다. 상기 전기화학적 반응장치(2)는 전술한 도 7에 따른 구조로 이루어질 수 있다.
종래 경우에는 예로서 배가스에서 이산화탄소를 포집한 후에 포집한 이산화탄소를 다시 분리하여 상기 전기화학적 반응장치(2)로 투입하였지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이산화탄소 포집장치(1)에서 포집된 이산화탄소를 아민 수용액으로부터 분리하는 분리공정을 거치지 않고 아민 수용액에 이산화탄소가 포집된 상태, 보다 구체적으로, HCO3 -을 포함한 아민 수용액이 상기 전기화학적 반응장치(2)로 투입된다.
따라서, 본 발명은 종래 경우에 비하여 이산화탄소 분리 공정 비용이 절약되는 장점이 있다. 또한, 종래의 경우는 분리공정을 거쳐 고순도의 이산화탄소를 분리하였음에도 불구하고 상기 전기화학적 반응장치(2)에서 생성되는 합성 가스의 생성율이 저조하여 이산화탄소 전환효율이 떨어지지만, 본 발명의 경우는 분리공정을 거치지 않은 상대적으로 저순도의 이산화탄소를 이용함으로써 이산화탄소 전환효율이 종래 대비 향상되는 장점이 있다. 또한, 종래의 경우 분리된 이산화탄소가 상대전극으로 넘어가는 크로스오버로 인해서 시스템이 불안정한 문제가 발생하지만, 본 발명의 경우 이산화탄소가 아민 수용액에 포집된 상태로 상기 전기화학적 반응장치(2)로 투입되기 때문에 이산화탄소가 상대전극으로 넘어가는 크로스오버가 발생하지 않는다. 또한, 종래의 경우 상기 전기화학적 반응장치(2)에서 생성된 합성가스를 이산화탄소와 분리하는 추가공정이 필요하지만, 본 발명의 경우 이산화탄소는 아민수용액에 포집된 상태로 순환하기 때문에 합성가스를 이산화탄소와 분리하는 추가공정이 필요하지 않다.
상기 전기화학적 반응장치(2)는 전술한 도 7의 환원전극(10), 산화전극(20), 및 환원전극(10)과 산화전극(20) 사이에 구비되는 분리막(30)을 포함하여 이루어지며, 상기 환원전극(10)에서 이산화탄소를 환원시켜 일산화탄소(CO)와 수소(H2)의 합성 가스를 생성한다. 이때, 상기 일산화탄소(CO)와 수소(H2)는 1:2의 몰비로 생성하는 것이 상기 수소운반체 제조장치(3)에서 수소운반체 제조 공정을 용이하게 할 수 있다.
상기 전기화학적 반응장치(2)에서 생성된 수소(H2)는 가스상태로 운반하기가 용이하지 않기 때문에 상기 수소운반체 제조장치(3)에서 운반하기 용이한 액체 상태의 수소운반체로 제조된다.
상기 수소운반체 제조장치(3)는 상기 전기화학적 반응장치(2)에서 생성된 일산화탄소(CO)와 수소(H2)의 합성 가스를 이용하여 수소운반체로서 메탄올을 생성할 수 있다.
상기 수소운반체 제조장치(3)는 열화학반응기를 이용하여 1몰의 일산화탄소(CO)와 2몰의 수소(H2)를 반응시켜 1몰의 메탄올(CH3OH)을 생성할 수 있다. 이와 같은 반응은 발열반응으로 이루어질 수 있고 다단 반응기를 이용함으로써 메탄올 생성율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 전기화학적 반응장치(2)에서 생성된 일산화탄소와 수소가 상기 수소운반체 제조장치(3)의 반응기로 공급되고 이산화탄소는 상기 수소운반체 제조장치(3)의 반응기로 공급되지 않는다. 따라서, 상기 수소운반체 제조장치(3)의 반응기에서 메탄올이 생성되고 부산물로 물이 생성되지 않으며, 그에 따라 상기 수소운반체 제조장치(3)의 반응기의 후단에 설치되어 생성된 메탄올을 회수하는 회수기의 후단에 부산물인 물을 분리하기 위한 증류기와 같은 별도의 분리기를 설치할 필요가 없다.
상기 수소운반체 제조장치(3)의 반응기 내부로 일산화탄소와 수소 이외에 이산화탄소가 함께 공급될 경우 생성물로서 메탄올뿐만 아니라 물이 생성될 수 있으며, 그 경우에는 상기 메탄올 회수기의 후단에 메탄올을 물로부터 분리하기 위한 증류기와 같은 별도의 분리기가 설치되어야 한다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기화학적 반응장치(2)에서 생성된 일산화탄소와 수소가 상기 수소운반체 제조장치(3)의 반응기로 공급될 뿐 이산화탄소가 상기 수소운반체 제조장치(3)의 반응기로 공급되지 않기 때문에, 상기 메탄올 회수기의 후단에 별도의 분리기가 설치될 필요가 없다. 따라서, 상기 수소운반체 제조장치(3)의 메탄올 회수기는 그 후단에 별도의 분리기를 구비하지 않은 채로 상기 탈수소 장치(4)와 연결될 수 있다.
상기 탈수소 장치(4)는 상기 수소운반체 제조장치(3)에서 제조한 메탄올을 개질하여 수소(H2)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 상기 탈수소 장치(4)는 메탄올을 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성할 수 있다. 이와 같은 탈수소 장치(4)는 산화전극, 환원전극 및 상기 산화전극과 환원전극 사이에 구비된 분리막을 포함한 전기화학반응기를 포함할 수 있다. 상기 전기화학반응기의 산화전극에서 상기 이산화탄소가 생성되고, 상기 전기화학반응기의 환원전극에서 상기 수소가 생성될 수 있다.
상기 탈수소 장치(4)에서 생성된 이산화탄소는 다시 상기 이산화탄소 포집장치(1)로 투입되어 순환하게 되며, 상기 탈수소 장치(4)에서 생성된 수소는 상기 수소 활용장치(5)로 공급된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 이산화탄소가 순환하면서 다양한 용도로 사용될 수 있는 유용한 물질인 수소를 얻을 수 있게 된다.
상기 수소 활용장치(5)는 수소를 활용할 수 있는 당업계에 공지된 다양한 장치가 될 수 있다. 예로서, 상기 수소 활용장치(5)는 수소를 연료로 이용하는 수소 연료셀을 포함할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 환원전극 20: 산화전극
30: 분리막 40: 환원물질 입출입부
50: 산화물질 입출입부 41, 51, 110: 입구
42, 52, 120: 출구 60: 환원물질 순환부
70: 산화물질 순환부 100: 몸체
101: 제1 면 102: 제2 면
130: 유로 140: 밀봉홈
150: 제1 차단벽 160: 제2 차단벽
200: 촉매 300: 밀봉부재

Claims (13)

  1. 도전성 물질로 이루어진 전극 몸체;
    상기 전극 몸체의 일 측에서 상기 전극 몸체를 관통하는 홀로 이루어진 입구;
    상기 전극 몸체의 타 측에서 상기 전극 몸체를 관통하는 홀로 이루어진 출구;
    상기 전극 몸체의 일 면에 구비된 홈으로 이루어지면서 상기 입구와 상기 출구 사이를 연결하는 유로;
    상기 유로에 충진된 복수의 촉매; 및
    상기 복수의 촉매가 상기 입구로 흐르는 것을 방지하기 위해서 상기 입구와 상기 유로 사이의 경계면에 구비된 제1 차단벽 및 상기 복수의 촉매가 상기 출구로 흐르는 것을 방지하기 위해서 상기 출구와 상기 유로 사이의 경계면에 구비된 제2 차단벽을 포함하여 이루어지고,
    상기 제1 차단벽 및 상기 제2 차단벽 각각은 복수의 홀을 포함하고 있고, 상기 복수의 홀 각각의 직경은 상기 복수의 촉매 각각의 직경보다 작은 이산화탄소 전환효율을 향상시킬 수 있는 촉매-전극 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 촉매는 상기 유로 내부 전체에 충진되어 상기 유로의 하면 및 측면 모두와 접촉하는 이산화탄소 전환효율을 향상시킬 수 있는 촉매-전극 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 촉매 상단의 높이는 상기 전극 몸체의 일 면의 높이와 동일한 이산화탄소 전환효율을 향상시킬 수 있는 촉매-전극 구조체.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 유로는 굴곡된 직선 구조, 굴곡된 곡선 구조, 및 메쉬 구조 중 적어도 하나의 구조를 포함하여 이루어진 이산화탄소 전환효율을 향상시킬 수 있는 촉매-전극 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극 몸체의 일 면에 구비된 홈으로 이루어지면서, 상기 입구, 상기 출구, 및 상기 유로의 외곽에 구비된 밀봉홈을 추가로 포함하고,
    상기 유로의 홈의 깊이는 상기 밀봉홈의 홈의 깊이보다 깊은 이산화탄소 전환효율을 향상시킬 수 있는 촉매-전극 구조체.
  9. 서로 마주하는 환원전극과 산화전극;
    상기 환원전극과 상기 산화전극 사이에 구비된 분리막;
    상기 환원전극과 연결된 환원물질 입출입부; 및
    상기 산화전극과 연결된 산화물질 입출입부를 포함하여 이루어지고,
    상기 환원전극과 상기 산화전극 중 적어도 하나의 전극은 전술한 제1항 내지 제3항, 및 제7항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 촉매-전극 구조체로 이루어진 이산화탄소 전환효율을 향상시킬 수 있는 전기화학적 반응장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 분리막은 상기 전극 몸체에 구비된 입구, 출구 및 유로와 중첩되면서 상기 촉매 및 상기 전극 몸체의 일 면과 접하는 이산화탄소 전환효율을 향상시킬 수 있는 전기화학적 반응장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 환원전극에 HCO3 -을 포함하는 3차 아민 수용액이 투입되어 일산화탄소와 수소를 생성하는 이산화탄소 전환효율을 향상시킬 수 있는 전기화학적 반응장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 분리막은 양극성 막으로 이루어지고, 상기 양극성 막은 OH-가 상기 산화전극으로 이동하고, H+는 상기 환원전극으로 이동하도록 구비되고, HCO3 -가 상기 산화전극으로 이동하지 않도록 구비된 이산화탄소 전환효율을 향상시킬 수 있는 전기화학적 반응장치.
  13. 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 포집장치;
    상기 이산화탄소 포집장치에서 포집한 이산화탄소를 환원하여 합성가스를 생산하는 전기화학적 반응장치;
    상기 전기화학적 반응장치에서 생산한 합성가스를 이용하여 수소운반체 물질을 제조하는 수소운반체 제조장치;
    상기 수소운반체 제조장치에서 제조한 수소운반체 물질로부터 수소를 생산하는 탈수소 장치; 및
    상기 탈수소 장치에서 생산한 수소를 활용하는 수소 활용 장치를 포함하고,
    상기 전기화학적 반응장치는 전술한 제9항에 따른 전기화학적 반응장치로 이루어진 이산화탄소 활용 시스템.
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