KR20060057186A - A hydrogen generator using photocatalyst and preparation method of hydrogen using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 광촉매 반응기(2)에 빛을 조사하는 광원, 물이 채워져 있고 외부로 전선이 접촉되어 광촉매 반응기(2), 상기 전선에 전하를 공급하는 전원공급부재(14), 상기 광촉매 반응기(2) 내부 일측에 위치하여 광원으로부터 빛을 흡수하여 물을 산소와 수소이온으로 분리하는 광촉매 전극(8), 상기 광촉매 반응기(2)의 일측에 설치되어 광촉매 전극(8)에 의하여 제조된 산소를 배출하는 산소배출구(18), 상기 광촉매 반응기(2)의 일측에 연결설치되어 광촉매 반응에 의해 발생하는 수소이온을 수소발생 반응기(4)로 통과시키는 분리막(6), 상기 분리막(6)으로부터 수소이온이 유입되는 수소발생 반응기(4), 상기 수소발생 반응기(4)의 내부 일측에 구비되어 유입된 수소이온과 전자를 결합시켜 수소를 제조하는 양전극(10) 및 상기 수소발생 반응기(4)의 일측에 설치되어 발생된 수소를 배출하는 수소배출구(20) 및 상기 광촉매 전극(8)에서 발생하는 전자를 수소발생 반응기(4)의 양전극(10)으로 이동하는 이동경로를 제공하는 회로를 포함하는 광촉매를 이용한 수소 제조장치를 제공한다.The present invention is a light source for irradiating light to the photocatalytic reactor (2), the water is filled and the wire is contacted to the outside photocatalyst reactor (2), a power supply member 14 for supplying charge to the wire, the photocatalytic reactor (2) Located at one side of the inside to absorb light from the light source to separate the water into oxygen and hydrogen ions photocatalyst electrode (8), installed on one side of the photocatalytic reactor (2) to discharge oxygen produced by the photocatalyst electrode (8) The oxygen outlet 18 to be connected to one side of the photocatalytic reactor 2, the separation membrane 6 for passing hydrogen ions generated by the photocatalytic reaction to the hydrogen generating reactor 4, hydrogen ions from the separation membrane 6 The introduced hydrogen generating reactor (4), provided on one side of the inside of the hydrogen generating reactor (4), the positive electrode 10 for producing hydrogen by combining the introduced hydrogen ions and electrons and one side of the hydrogen generating reactor (4) Install on Using a photocatalyst comprising a hydrogen discharge port 20 for discharging the generated hydrogen and a circuit providing a movement path for moving electrons generated in the photocatalytic electrode 8 to the positive electrode 10 of the hydrogen generation reactor 4. Provided is a hydrogen production apparatus.
본 발명에 따르면, 광원을 에너지원으로 하여 수소를 제조하기 때문에 저비용으로 운전할 수 있을 뿐만 아니라 탄화수소를 이용한 수소 제조방법에서 발생하는 이산화탄소, 일산화탄소 등의 부생성물을 생성하지 않고 고순도의 수소를 생산할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since hydrogen is produced using a light source as an energy source, not only can be operated at low cost, but also high-purity hydrogen can be produced without generating by-products such as carbon dioxide and carbon monoxide generated in a hydrogen production method using a hydrocarbon. It works.
광촉매, 산화반응, 전자, 분리막, 전극Photocatalyst, oxidation reaction, electron, separator, electrode
Description
도 1은 본 발명에 따른 광촉매를 이용한 수소 제조장치를 나타내는 구성도,1 is a block diagram showing an apparatus for producing hydrogen using a photocatalyst according to the present invention,
도 2는 본 발명에 따른 또 다른 양태의 광촉매를 이용한 수소 제조장치를 나타내는 구성도이다.2 is a block diagram showing a hydrogen production apparatus using a photocatalyst of another embodiment according to the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
2 : 광촉매 반응기 4 : 수소발생 반응기2
6 : 분리막 8 : 광촉매 전극6
10 : 양전극 12 : 제 1 스위치10: positive electrode 12: first switch
12' : 제 2 스위치 12": 제 3 스위치12 ':
14 : 전원공급부재 16 : 전자저장부재14
18 : 산소배출구 20 : 수소배출구18: oxygen outlet 20: hydrogen outlet
22 : 수소이온 배출구 24 : 수소이온 유입구22: hydrogen ion outlet 24: hydrogen ion inlet
26 : 제 1 전선 28 : 제 2 전선26: first wire 28: second wire
30 : 제 3 전선 32 : 코일30: third wire 32: coil
본 발명은 광촉매를 이용한 수소 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광촉매 활성을 갖는 전극에 빛을 조사하여 물을 수소이온과 산소로 분리하고 분리된 수소이온에 전자를 가하여 수소를 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing hydrogen using a photocatalyst, and more particularly to a method of producing hydrogen by irradiating light to an electrode having a photocatalytic activity, separating water into hydrogen ions and oxygen, and adding electrons to the separated hydrogen ions. It is about.
수소는 암모니아, 메탄올 등의 제조원료로 사용되며, 포화화합물을 생성시키는 수소화반응의 필수원료이며, 동시에 수소첨가반응, 탈황반응, 탈질소반응, 탈금속반응 등과 같은 수소처리공정에 사용되고 있으며, 특히 최근의 지구온난화 문제의 주원인인 이산화탄소의 고정화반응에서 필수적으로 사용된다. 또한, 수소는 청정한 대체에너지 가운데 하나로서, 현재의 화석연료를 대체하는 미래의 에너지원으로 크게 기대되고 있다.Hydrogen is used as a raw material for ammonia, methanol, etc., and is an essential raw material for the hydrogenation reaction to produce a saturated compound. It is essential for the immobilization of carbon dioxide, which is the main cause of the recent global warming problem. In addition, hydrogen is one of the clean alternatives, and is expected to be a future energy source to replace the current fossil fuel.
전술한 수소를 제조하는 종래의 방법들로는 나프타 및 천연가스와 같은 화석연료를 개질하여 수소를 생산하는 방법, 고온에서 철과 수증기를 접촉시키는 방법, 알카리 금속과 물을 반응시키는 방법 등이 일반적이다.Conventional methods for producing hydrogen described above include a method of producing hydrogen by reforming fossil fuels such as naphtha and natural gas, a method of contacting iron with steam at high temperatures, and a method of reacting alkali metals with water.
특히, 메탄가스나 메탄올과 같은 탄화수소 연료를 열화학 반응을 통하여 개질하는 방법은 200℃ 이상의 온도에서 Cu-Zn과 같은 촉매를 사용하여 수소를 제조한다. 이러한 개질 반응의 생성물에는 수소 이외에 일산화탄소, 이산화탄소와 같은 화합물이 다량 포함되어 있고, 고온에서 진행되며 흡열반응이므로, 반응기의 단열, 생성 가스의 냉각을 위한 열교환, 가스의 공급, 압력 조정 등에 필요한 여러 가지 보조 장치의 장착 때문에 반응기 시스템의 크기가 거대해지는 단점이 있다.In particular, a method of reforming a hydrocarbon fuel such as methane gas or methanol through a thermochemical reaction produces hydrogen using a catalyst such as Cu—Zn at a temperature of 200 ° C. or higher. The product of the reforming reaction contains a large amount of compounds such as carbon monoxide and carbon dioxide in addition to hydrogen, and proceeds at a high temperature and is an endothermic reaction, and thus various kinds of heat insulation, heat exchange for cooling the generated gas, gas supply, and pressure adjustment are required. The disadvantage is that the size of the reactor system is huge due to the installation of the auxiliary device.
한편, 자연계에 존재하는 수소는 대부분 물의 형태로 존재하고 기타 무기화합물로 존재하며, 기체상태의 수소는 낮은 비중으로 인하여 대기중에 존재하는 양이 매우 낮으며, 무기화합물의 형태로 존재하는 수소는 순수하게 분리하는 것 자체가 기술적으로 어려울 뿐만 아니라, 기술적인 분리가 가능하다 하더라도 분리에 많은 비용이 소요되므로 경제성이 떨어진다. 따라서 물로부터 수소를 효과적으로 제조하는 기술은 매우 의미 있는 과제라 할 것이다.On the other hand, most of the hydrogen in nature exists in the form of water and other inorganic compounds, and the hydrogen in the gaseous state is very low in the atmosphere due to its low specific gravity, and the hydrogen in the form of the inorganic compound is pure In addition, the separation is not only technically difficult, but even if the technical separation is possible, the separation costs a lot, and thus the economic efficiency is low. Therefore, a technique for effectively producing hydrogen from water will be a very meaningful task.
전술한 물로부터 수소를 생산하기 위한 방법으로 대표적인 것이 전기분해라 할 수 있는데, 상기 전기분해의 경우 필요에 따라서 즉시 수소를 제조할 수 있는 장점이 있으나, 전극의 수명과 사용되는 전력으로 인하여 과다한 비용이 발생하는 문제점이 있다.The representative method for producing hydrogen from the above-mentioned water can be referred to as electrolysis. In the case of the electrolysis, there is an advantage in that hydrogen can be immediately produced as needed, but due to excessive lifetime due to the lifetime of the electrode and the power used. There is a problem that occurs.
최근 들어, 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 고급산화기술 중의 한 방법인 광촉매를 이용하여 수소를 제조하는 방법에 대한 관심이 높아지고 있다.Recently, in order to solve the above-mentioned problems, there is a growing interest in a method of producing hydrogen using a photocatalyst, which is one of advanced oxidation techniques.
상기 광촉매 반응은 띠 간격에너지(band gap energy) 이상의 빛 에너지를 광촉매에 조사하였을 때 전자와 정공이 발생하고, 정공에 의해 생성되는 수산화라디칼(·OH)의 강력한 산화력으로 광촉매 표면에 접촉되는 기상 또는 액상의 물질이 분해되는 반응을 일컫는다.The photocatalytic reaction generates electrons and holes when light energy of more than a band gap energy is irradiated to the photocatalyst, and the gas phase or the photocatalyst is brought into contact with the photocatalyst surface by the strong oxidizing power of radicals (· OH) generated by the holes. It refers to a reaction in which a liquid substance is decomposed.
전술한 광촉매를 이용한 수소 제조방법으로 일본특허공개 소 62-19045호는 회토류 원소 화합물을 광촉매로 사용하여 Na2S 수용액의 광분해 반응으로부터 수소 를 발생시키는 것을 특징으로 하고 있으며, 가시광선에서 광촉매가 활성을 보이는 장점이 있다. 또한 일본특허공개 소 63-107815호는 니오비움과 알칼리토류 금속의 복합산화물을 광촉매로 사용하여 메탄올 수용액의 광분해 반응으로부터 수소를 발생시키는 것을 특징으로 하고 있으며, 이 역시 가시광선에서 촉매가 활성을 보이는 장점이 있다. 그러나 상기 기술에 의한 수소 제조방법은 수소생성량에 있어 그 발생량이 10mg/0.5g hr 정도로 매우 적다는 문제점이 있다.As a method for producing hydrogen using the photocatalyst described above, Japanese Patent Laid-Open No. 62-19045 is characterized in that hydrogen is generated from the photolysis reaction of an aqueous solution of Na 2 S using a rare earth element compound as a photocatalyst. It has the advantage of showing activity. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-107815 is characterized by generating hydrogen from photolysis of methanol aqueous solution by using a composite oxide of niobium and alkaline earth metal as a photocatalyst, which also shows the activity of the catalyst in visible light. There is an advantage. However, the hydrogen production method according to the above technique has a problem in that the amount of hydrogen produced is very small, about 10 mg / 0.5 g hr.
한편, 대한민국특허공보 특 1997-0009559호는 알코올, 포름알데히드 등의 촉진제 및 광촉매가 혼합된 수용액에 자외선을 조사하여 수소를 발생시키는 방법이 개시되어 있는데, 이는 무해하고 상온에서 수소를 발생시킬 수 있는 장점이 있으나, 수소발생 촉진제로 함산소유기물을 사용하기 때문에 함산소유기물이 반응에 참가한 후 재사용하기 곤란하다는 문제점이 있다.On the other hand, Korean Patent Publication No. 1997-0009559 discloses a method of generating hydrogen by irradiating ultraviolet light to an aqueous solution mixed with an accelerator, such as alcohol, formaldehyde and photocatalyst, which is harmless and can generate hydrogen at room temperature Although there is an advantage, since oxygen-containing organic matter is used as a hydrogen generation accelerator, there is a problem that it is difficult to reuse the oxygen-containing organic matter after participating in the reaction.
전술한 문제점을 해결하기 위하여 대한민국특허공보 특1997-014835호에서는 사용되는 광촉매를 변화시켜 환경에 무해하며 함산소유기물 촉진제를 사용하지 않는 수소 제조방법이 소개되어 있다.In order to solve the above problems, Korean Patent Publication No. 1997-014835 discloses a hydrogen production method that is harmless to the environment by changing the photocatalyst used and does not use an oxygen-containing organic accelerator.
또한, 대한민국특허공보 특2000-0019204호는 광촉매를 전자공여체로 Na2S와 환원제로 NaH2PO2를 일차 내지 이차 증류수 또는 단순히 전처리한 물과 접촉, 현탁시키고 교반하면서 광촉매에 빛을 조사하여 광반응을 일으킴으로써 물로부터 수소를 분리하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 방법은 광촉매에 의하여 발생하는 산화반응과 산화된 물을 수소와 산소로 분리하기 위한 환원반응 등을 위하여 적 당한 몰 수로 첨가물을 조절하면서 온도 및 압력을 조절하여야 함으로 공정 조작이 까다롭다는 등의 문제점이 있다.In addition, Korean Patent Publication No. 2000-0019204 discloses a photocatalyst by irradiating light with a photocatalyst while contacting, suspending and stirring the photocatalyst with Na 2 S as an electron donor and NaH 2 PO 2 as a reducing agent or primary or secondary distilled water or simply pretreated water. A method of separating hydrogen from water by causing a reaction is disclosed. However, the process is difficult to operate because it is necessary to control the temperature and pressure while controlling the additives in an appropriate molar number for the oxidation reaction generated by the photocatalyst and the reduction reaction for separating the oxidized water into hydrogen and oxygen. There is such a problem.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 외부로 코일을 감은 광촉매 반응기에 물과 광촉매를 첨가한 후 상기 반응기에 빛을 조사하여 물로부터 수소를 분리하며, 분리된 수소이온를 전극을 갖는 수소발생 반응기로 이동시키고, 물이 수소로 분리되며 발생한 산소는 외부로 배출하고 전자는 상기 광촉매와 연결된 전선을 따라 수소발생 반응기에 설치되어 있는 전극으로 이동시켜 수소발생 반응기로 유입되는 수소이온과 결합시켜 수소를 제조하는데 그 기술적 과제가 있다.
The present invention is to solve the above problems, after the addition of water and photocatalyst to the coiled photocatalyst reactor to the outside and irradiated with light to the reactor to separate the hydrogen from the water, the hydrogen generated separated hydrogen ion having an electrode It moves to the reactor, the water is separated into hydrogen, the generated oxygen is discharged to the outside, and the electron is moved to the electrode installed in the hydrogen generating reactor along the wire connected with the photocatalyst to combine with the hydrogen ions introduced into the hydrogen generating reactor to hydrogen There is a technical problem in manufacturing the.
한가지 관점에서, 본 발명은 광촉매 반응기에 빛을 조사하는 광원, 물이 채워져 있고 외부로 전선이 접촉되어 광촉매 반응기, 상기 전선에 전하를 공급하는 전원공급부재, 상기 광촉매 반응기 내부 일측에 위치하여 광원으로부터 빛을 흡수하여 물을 산소와 수소이온으로 분리하는 광촉매 전극, 상기 광촉매 반응기의 일측에 설치되어 광촉매 전극에 의하여 제조된 산소를 배출하는 산소배출구, 상기 광촉매 반응기의 일측에 연결설치되어 광촉매 반응에 의해 발생하는 수소이온을 수소발생 반응기로 통과시키는 분리막, 상기 분리막으로부터 수소이온이 유입되는 수소발생 반응기, 상기 수소발생 반응기의 내부 일측에 구비되어 유입된 수소이온과 전자 를 결합시켜 수소를 제조하는 양전극 및 상기 수소발생 반응기의 일측에 설치되어 발생된 수소를 배출하는 수소배출구 및 상기 광촉매 전극에서 발생하는 전자를 수소발생 반응기의 양전극으로 이동하는 이동경로를 제공하는 회로를 포함하는 광촉매를 이용한 수소 제조장치를 제공한다.In one aspect, the present invention is a light source for irradiating light to the photocatalyst reactor, filled with water and the wire is contacted to the outside photocatalyst reactor, a power supply member for supplying charge to the wire, located on one side inside the photocatalytic reactor from the light source A photocatalyst electrode that absorbs light to separate water into oxygen and hydrogen ions, an oxygen discharge port installed at one side of the photocatalytic reactor to discharge oxygen produced by the photocatalytic electrode, and connected to one side of the photocatalytic reactor to perform photocatalytic reaction. A separator for passing the generated hydrogen ions to a hydrogen generating reactor, a hydrogen generating reactor for introducing hydrogen ions from the separator, a positive electrode provided at one side of the hydrogen generating reactor to combine hydrogen and electrons introduced therein to produce hydrogen; Hydrogen generated by being installed on one side of the hydrogen generation reactor Shipping provides a hydrogen-using the photocatalyst including a circuit for providing a route for moving the electrons generated from the hydrogen outlet port and the photocatalyst electrode to the positive electrode of the hydrogen generating reactor.
또 다른 관점에서, 본 발명은 물이 채워져 있고 외부로 코일이 감겨져 있는 광촉매 반응기의 내부 일측에 구비된 광촉매 전극에 빛을 조사하여 물을 산소와 수소이온으로 분리하고, 분리된 산소는 상기 광촉매 반응기의 외부로 배출하고, 분리된 수소이온은 분리막을 통과시켜 수소발생 반응기로 이송하며, 물이 산소와 수소이온으로 분리되며 발생한 전자는 상기 광촉매 전극에 연결설치된 전선을 따라 이동되어 수소발생 반응기 내부 일측에 구비된 양전극으로 이동시켜 상기 분리막을 통과하여 상기 수소발생 반응기로 유입되는 수소이온과 결합하여 수소를 발생시키는 것을 포함하는 광촉매를 이용한 수소 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention is irradiated with light to the photocatalytic electrode provided on one side of the photocatalytic reactor filled with water and the coil is wound outside to separate the water into oxygen and hydrogen ions, the separated oxygen is the photocatalytic reactor Discharged to the outside, and the separated hydrogen ions pass through the membrane and are transferred to the hydrogen generating reactor, and the water is separated into oxygen and hydrogen ions, and the generated electrons are moved along the wire connected to the photocatalyst electrode, so that one side inside the hydrogen generating reactor It provides a method for producing hydrogen using a photocatalyst comprising moving to the positive electrode provided in the combined hydrogen ions passing through the separator and introduced into the hydrogen generating reactor to generate hydrogen.
이하 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 광촉매를 이용한 수소 제조장치를 나타내는 구성도, 도 2는 본 발명에 따른 또 다른 양태의 광촉매를 이용한 수소 제조장치를 나타내는 구성도로서 함께 설명한다.1 is a block diagram showing a hydrogen production apparatus using a photocatalyst according to the present invention, Figure 2 is shown as a block diagram showing a hydrogen production apparatus using a photocatalyst of another embodiment according to the present invention.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광촉매를 이용한 수소 제조장치는 광촉매 반응기(2)에 자외선 또는 가시광선 영역의 빛을 조사하는 광원, 물을 산소와 수소이온으로 분리하는 광촉매 반응기(2)와 상기 광촉매 반응기(2)와 수소발생 반응기(4)에 연결설치되어 상기 광촉매 반응기(2)에서 발생한 수소이온을 통과시켜 수소발생 반응기(4)로 이송시키는 분리막(6), 상기 분리막(6)으로부터 유입되는 수소이온과 전자를 반응시켜 수소를 발생시키는 수소발생 반응기(4) 및 상기 수소발생 반응기(4)와 광촉매 반응기(2)에 연결설치되어 전자의 이동경로를 제공하는 회로로 구성되어 있다.1 and 2, the hydrogen production apparatus using a photocatalyst according to the present invention is a light source for irradiating light in the ultraviolet or visible light region to the
여기서, 상기 광촉매 반응기(2)는 그 내부로는 광촉매 활성을 띄는 물질로 코팅되거나 광촉매 활성을 띄는 물질로 이루어진 광촉매 전극(8)이 구비되어 있다. 그리고, 상기 광촉매 전극(8)의 상단 일측으로 제 1 전선(26)이 구비되어 광촉매 전극(8)에서 발생하는 전자의 이동경로를 제공하고, 상기 광촉매 반응기(2)의 상단 일측으로 광촉매 반응에 의하여 물로부터 분리된 산소가 배출되는 산소배출구(18)가 구비되어 있으며, 상기 광촉매 반응에 의하여 물로부터 분리된 수소이온은 상기 광촉매 반응기(2)의 일측에 형성되어 있는 수소이온 배출구(22)로 배출된다. 이때, 상기 수소이온 배출구(22)는 분리막(6)과 연결되어 있으며, 상기 분리막(6)은 광촉매 반응기(2)에 존재하는 수소이온만을 통과시킬 수 있다.Here, the
한편, 상기 광촉매 반응기(2)는 자외선 또는 가시광선 영역의 빛을 에너지원으로 하는 광촉매 산화반응을 위하여 상기 빛이 통과될 수 있는 재질로 구성되는 바, 사용 가능한 재질은 빛을 통과할 수 있는 재질이라면 어느 것을 사용하여도 무방하고, 추천하기로는 유리, 투명한 플라스틱, 수정 등이 좋다. On the other hand, the
또한, 본 발명에 따른 광촉매 반응기(2)의 외부로는 제 3 전선(30)이 접촉되 어 있는데, 상기 제 3 전선(30)은 상기 제 3 전선(30)의 일측에 연결설치된 전원공급부재(14)로부터 전원이 인가되면 상기 광촉매 반응기(2)의 내부 외벽면에 음전하를 걸어주게 된다.In addition, the
이때, 상기 광촉매 반응기(2)의 외벽면은 필요에 따라 코일(2)이 감겨져 있는 바, 상기 광촉매 반응기(2)의 외부에 감아져 있는 코일(2)은 그 종단 일측이 상기 제 3 전선(30)의 종단 일측과 연결됨으로써 전원공급부재(14)로부터 전원이 인가될 경우 상기 광촉매 반응기(2)의 내부 외벽면에 음전하를 걸어줄 수 있도록 한다.At this time, the outer wall surface of the
본 발명에 따른 광촉매 전극(8)은 빛 에너지를 흡수함으로써 촉매활성을 나타내고 전자가 이동할 수 있는 물질이라면 어느 것을 사용하여도 무방하며, 상기 광촉매는 촉매활성에 의하여 발생하는 강력한 산화력으로 물이 수소이온과 산소로 산화분해하게 된다. 이때, 상기 광촉매 반응을 유도하는 물질로 사용 가능한 것은 TiO2, ZnO2, ZnO, SrTiO3, CdS, GaP, InP, GaAs, BaTiO3, KNbO
3, Fe2O3, Ta2O5, WO3, SnO2, Bi2O3, NiO, Cu2O, SiO, SiO2, MoS2
, InPb, RuO2, CeO2 등이 있으며, 상기 광촉매에 Pt, Rh, Ag, Cu, Sn, Ni, Fe 등의 금속 및 이들의 금속산화물을 첨가하여 사용하거나, 광촉매 활성을 갖지 않는 전도체 물질에 상기 광촉매 활성을 갖는 물질을 코팅하여 사용할 수 있다.The
본 발명에 따른 분리막(6)은 광촉매 반응기(2)에서 발생하는 수소이온을 통과시켜 수소발생 반응기(4)로 이동시키는 경로를 제공하는데, 통상 멤브레인 (membrane)이라 호칭되기도 하는데, 사용 가능한 분리막(6)은 중공사막, 역삼투막, 이온교환막 등의 어떠한 형태를 사용하여도 무방하다. 이와 같은 분리막(6)은 광촉매 반응기(2)에서 발생하는 수소이온이 배출되는 수소이온 배출구(22)와 연결설치되어 있고, 상기 수소이온 배출구(22)는 액상으로 존재하는 수소이온의 용이한 배출을 위하여 상기 광촉매 반응기(2) 내부에 채워져 있는 수면높이 보다 낮게 설치되는 것이 바람직하다.The separator 6 according to the present invention provides a path for passing hydrogen ions generated in the
한편, 상기 수소발생 반응기(4)는 그 내부로 전자가 유입되도록 전선이 연결설치된 양전극(10)이 구비되어 있으며, 상기 분리막(6)으로부터 배출되는 수소이온이 유입되도록 수소이온 유입구(24)가 분리막(6)에 연결설치되어 있고, 상기 양전극(10)으로 유입되는 전자와 상기 분리막(6)으로부터 유입되는 수소이온이 결합하여 수소를 제조하고, 제조된 상기 수소를 배출하기 위한 수소배출구(20)가 수소발생 반응기(4)의 일측에 구비되어 있다.On the other hand, the hydrogen generation reactor (4) is provided with a positive electrode (10) connected to the wires so that the electrons flow into the inside, the hydrogen ion inlet (24) so that the hydrogen ions discharged from the separator 6 is introduced It is connected to the separator 6, the electrons flowing into the
여기서, 상기 양전극(10)은 전기가 통하는 전도체라면 어느 것을 사용하여도 무방하며 바람직하게는 백금이 좋다.Herein, the
한편, 본 발명에 따른 수소발생 반응기(4)와 광촉매 반응기(2)에 연결설치되어 전자의 이동경로를 제공하는 회로는 광촉매 전극(8)에 연결설치되어 광촉매 반응으로부터 발생하는 전자의 이동경로를 제공하는 제 1 전선(26), 상기 제 1 전선(26)의 종단에 연결설치되어 상기 제 1 전선(26)을 제 3 전선(30)과 연결시킬 수 있도록 하는 제 1 스위치(12), 상기 수소발생 반응기(4)의 양전극(10)에 연결되는 제 2 전선(28), 상기 제 2 전선(28)의 종단에 연결설치되어 상기 제 2 전선(28)을 제 3 전선(30)과 연결시킬 수 있도록 하는 제 2 스위치(12'), 일측 종단이 상기 제 1 스위치(12) 또는 제 2 스위치(12')와 접촉되도록 하고, 상기 일측 종단에 대향되는 타측 종단이 광촉매 반응기의 외벽면에 접촉되는 제 3 전선(30) 및 상기 제 1 스위치(12) 또는 제 2 스위치(12')와 접촉되는 제 3 전선(30)의 종단으로부터 전자저장부재(16), 제 3 스위치(12")가 순차적으로 연결설치되어 구성된다.On the other hand, the circuit connected to the
여기서, 전원공급부재(14)에 전원이 인가된 후 상기 제 3 스위치(12")가 온(on) 상태로 되어 전류가 제 3 전선(30)을 따라 흐를 경우에는 상기 제 1 전선(26)의 종단에 구비된 제 1 스위치(12)가 온 상태로 되는 동시에 상기 제 2 전선(28)의 종단에 구비된 제 2 스위치(12')가 오프(off) 상태로 됨으로써 광촉매 반응기(2)의 광촉매 전극(8)으로부터 생성된 전자를 전자저장부재(16)로 유도하여 저장하며, 상기 제 3 스위치(12")가 오프 상태가 되면 상기 제 2 전선(28)의 종단에 구비된 제 2 스위치(12')를 온 상태로 하는 동시에 제 1 전선(26)의 종단에 구비된 제 1 스위치(12)를 오프 상태로 유지시킴으로써 상기 전자저장부재(16)에 저장되어 있는 전자를 상기 제 2 전선(28)의 일측 종단에 연결설치되는 양전극(10)으로 이동시키게 된다.Here, when power is applied to the
이때, 상기 제 1 스위치(12), 제 2 스위치(12') 및 제 3 스위치(12")의 작동은 시간 또는 광촉매 반응기(2)에서 발생하는 전자의 양에 따라 온-오프(on-off)를 제어하도록 한다.At this time, the operation of the
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 광촉매를 이용한 수소 제조장치의 작용방법을 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operation method of the hydrogen production apparatus using a photocatalyst according to the present invention having the configuration as described above are as follows.
먼저 물이 채워져 있는 상기 광촉매 반응기(2)에 자외선 및/또는 가시광선 등의 빛을 조사하여 광촉매 전극(8)의 표면에서 물을 산소와 수소이온으로 분리한다. 이때, 제 1 전선(26)의 종단에 구비된 제 1 스위치(12)와 제 3 전선(30)의 일측에 구비된 제 3 스위치(30)를 온(on) 상태로 한 후 전원공급부재(14)에 전원을 인가함으로써 상기 광촉매 반응기(2)의 외부에 접촉되어 있는 제 3 전선(30), 바람직하게는 상기 광촉매 반응기(2)를 감싼 형태의 코일(32)에 연결설치된 제 3 전선(30)에 전류를 공급함으로써 광촉매 반응기(2)에 외벽면에 음전하를 걸어준다. First, the
여기서, 상기 제 3 전선(30), 바람직하게는 제 3 전선(30)의 종단 일측으로 연결설치되는 코일(32)은 광촉매 반응기(2)의 광촉매 전극(8)에서 발생하는 산화반응에 의하여 해리되는 산소 및 수소이온 중 양전하를 갖는 수소이온을 전기적인 인력으로 광촉매 반응기(2)의 외벽면으로 끌어당김으로써 상기 산소 및 수소이온이 재결합하여 물로 되는 것을 억제하게 된다.Here, the
한편, 상기 광촉매 전극(8)에 의하여 분리된 산소는 광촉매 반응기(2)의 일측에 구비된 산소배출구(18)를 통하여 외부로 배출되고, 수소이온은 상기 산소배출구(18)의 대향되는 타측에 구비된 수소이온 배출구(22)를 거쳐 수소이온만을 통과시키는 분리막(6)을 통과하여 수소발생 반응기(4)로 이동된다. 또한, 상기 광촉매 전극(8)에서 발생하는 산화반응에 의하여 형성되는 전자는 상기 광촉매 전극(8)에 연결설치된 제 1 전선(26) 및 상기 제 1 스위치(12)를 통과하여 제 3 전선(30)의 일측에 구비된 전자저장부재(16)로 저장된다.On the other hand, the oxygen separated by the
그 다음, 일정 시간이 경과한 후 상기 제 3 전선(30)의 일측에 구비된 제 3 스위치(12") 및 제 1 전선(26)의 종단에 구비된 제 1 스위치(12)를 오프 상태로 한 후 제 2 전선(28)의 일측 종단에 구비된 제 2 스위치(12')를 제 3 전선(30)에 접촉시킴으로써 상기 제 2 스위치(12')를 온 상태로 유지시킨다.Then, after a predetermined time has elapsed, the
이때, 상기 제 2 스위치(12')가 온 상태로 유지됨에 따라 상기 제 3 전선(30)의 전자저장부재(16)에 저장된 전자가 상기 제 2 스위치(12') 및 상기 제 2 스위치(12')가 연결설치된 제 2 전선(28)을 통과하여 수소발생 반응기(4)의 양전극(10)으로 이동된다. At this time, as the
한편, 상기 수소발생 반응기(40)는 상기 분리막(6)을 통과한 수소이온 및 제 2 스위치(12')와 제 2 전선(28)을 통과한 전자가 유입되어 상기 양전극(10) 표면에서 수소를 발생시키고, 발생된 상기 수소는 수소배출구(20)를 통과하여 배출되게 된다.Meanwhile, in the hydrogen generation reactor 40, hydrogen ions passing through the separator 6 and electrons passing through the
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 일실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As described above, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. Therefore, the exemplary embodiments described above are to be understood as illustrative in all respects and not as restrictive. The scope of the present invention should be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the appended claims and their equivalents, rather than the detailed description, are included in the scope of the present invention.
본 발명은 광촉매의 산화반응을 이용하여 물로부터 산소 및 수소이온을 분리하고 분리된 수소이온에 전자를 공급하여 수소를 제조하는 것으로서, 광원을 에너지원으로 하여 수소를 제조하기 때문에 저비용으로 운전할 수 있을 뿐만 아니라 탄화수소를 이용한 수소 제조방법에서 발생하는 이산화탄소, 일산화탄소 등의 부생성물을 생성하지 않고 고순도의 수소를 생산할 수 있는 효과가 있다. The present invention is to produce hydrogen by separating oxygen and hydrogen ions from water by using an oxidation reaction of the photocatalyst and supplying electrons to the separated hydrogen ions, which can be operated at low cost since hydrogen is produced using a light source as an energy source. In addition, there is an effect that can produce high purity hydrogen without generating by-products such as carbon dioxide and carbon monoxide generated in the hydrogen production method using a hydrocarbon.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100699556B1 (en) * | 2005-10-12 | 2007-03-26 | 한국에너지기술연구원 | The equipment for producing hydrogen gas by using photocatalyst and biocatalyst |
CN110961041A (en) * | 2018-09-29 | 2020-04-07 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Continuous flow catalytic reactor, method of assembling same and use thereof |
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- 2004-11-23 KR KR1020040096268A patent/KR100754992B1/en active IP Right Grant
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