KR20060104580A - 고온 수전해 수소 생성 장치 및 수소 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

고온의 수증기를 전기분해하여 수소를 생산하는 수소 생산 장치 및 그 생상 방법이 개시되어 있다. 상술한 수소 생산 장치는 물을 저장하기 위한 저수조, 상기 저수조와 연결되어 상기 저수조로부터 제공되는 물을 수증기로 바꾸기 윈한 가열기, 상기 가열기로부터 제공되는 수증기를 수소 및 산소로 전기 분해하는 전기화학 셀, 상기 전기화학 셀을 포함하여 수소를 생성하기 위한 공간을 제공하는 수소 생성부 및 수소를 산소 및 잔류 수증기로부터 분리하기 위한 분리기를 구비한다. 상기 수소 생산 장치는 별도의 수소에 의한 환원과정 없이 수소를 생산할 수 있다.

Description

고온 수전해 수소 생성 장치 및 수소 제조 방법{An apparatus of producing hydrogen with high temperature electrolysis and a method of producing hydrogen using the same}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 수전해 수소 생성정치를 개략적으로 나타내는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온 수전해 수소 생성장치를 통하여 수소의 생산량을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 수소 생성 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온수전해용 전기화학 셀 및 이를 이용한 수소 생산 장치에 관한 것이다.
수소는 석유탈황, 암모니아 제조 등 화학공업 부문에서 널리 사용되고 있으며, 우주항공산업의 연료, 반도체산업 분위기 가스, 연료전지 원료로도 사용되고 있다. 현재 주된 에너지원으로 사용 중인 화석 연료는 가격 상승과 고갈에 따른 문제와 사용 후 발생하는 NOx, SOx, 각종 분진 등과 같은 대기오염물의 배출과 이산화탄소에 의한 지구온난화 등에 따른 각종 환경 규제가 엄격해짐에 따른 대안으로 환경 친화적 에너지원으로써 수소의 생산 및 제조 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
상기 수소는 오일이나 천연가스를 사용하여 수증기 개질법(steam reforming)이나 부분산화법 (partial oxidation) 등으로 제조되고 있으며, 이들 방법에 의해 제조된 수소는 재생 에너지시스템에는 사용할 수 없다는 단점이 있다. 하지만 물을 전기화학 셀을 이용하여 전기분해하는 방법은 영구적인 재생에너지시스템으로 이용되고 있는데 저온에서의 물 분해는 많은 에너지를 필요로 하기 때문에 많이 쓰이지 않으며 대신 고온의 수증기를 이용하여 전기분해 하는 방법이 연구되고 있는 실정이다.
고온에서의 수소제조는 물분해에 필요한 에너지의 약1/3을 열에너지로 대체하고 빠른 전극반응을 이용하여 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있어 중요성이 점차 증대되고 있다. 상기 수조 제조 방법 중 고온 수전해를 이용한 수소 제조방법에 있어 전기화학 셀의 구성은 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cells)와 비슷한데, 고온의 수증기에 의하여 작동 온도가 600℃이상이기 때문에 고온에서도 물리적인 안정성을 가지며, 내구성을 유지할 수 있는 전기화학 셀을 이용한 수소 생성 장치의 연구가 진행중이다.
상기 전기화학셀은 양극(anode), 음극(cathode) 및 고체전해질체(electrolyte)를 포함하며, 고온의 수증기가 상기 전기화학 셀과 접촉하는 경우 먼저 상기 음극에서 상기 수증기는 수소 및 산소 음이온으로 분해된다.
H20 + 2e- → H2 + O2-
이때, 발생하는 산소 음이온은 고체 전해질체를 거쳐서 양극으로 진행된다. 따라서, 고체 전해질체는 전자에 대하여는 전도성이 없어야 하나, 산소 음이온에 대하여는 전도성을 갖는 산화물 이어야 한다.
상기 고체 전해질체를 거쳐서 양극에 도달한 산소 음이온은 다시 산소로 산화된다. 반응식은 다음과 같다.
O-2 → 1/2 O2 + 2e-
상기 반응들을 종합한 반응식은 다음과 같다.
H2O → H2 + 1/2 O2
상기 반응식 3을 참조하면, 일당량의 수증기가 상기 전기화학 셀에 의하여 일당량의 수소와 0.5당량의 산소로 분해된다.
상기 전기화학 셀의 양극은 상기 반응식 2와 같이 수전해에 있어서 생성되는 산소 음이온(O2-)를 산화시켜 산소를 발생시키는 역할을 수행한다. 따라서, 상기 양극은 고온에서도 안정한 물성을 지니며 높은 전기 전도성을 가져야 하는데, 백금과 같은 귀금속(noble metal)이거나 800oC 이상의 고온에서도 안정성을 갖는 페브로스카이트형(perovskite type)의 란탄늄 스트로튬 망간나이트(LaSrMnO3, LSM)나 란 탄늄 칼슘 망간나이트(LaCaMnO3, LCM)가 상기 양극의 재료로 사용된다.
또한 상기 산소 음이온을 음극으로부터 양극에 전달하는 기능을 수행하는 고체전해질체는 주로 이트리움 안정화 지르코니아 (Yttrium stabilized Zirconia, 이하 YSZ), 바스무쓰 이트리움 산화물 (Bismuth Yttrium Oxide), 사마리움 함유 세리움 산화물 (Cerium Oxide dope with Samarium), 스트론튬 세레이트 (Strontium Cerate) 등과 같은 금속 산화물들이 사용된다.
여기서, 고온수전해용 전기화학 셀의 음극은 물로부터 전기분해에 의해 수소를 산소 이온로부터 분리하는 역할을 하므로 특히 음극 재료는 중요하다. 따라서 높은 산소 이온 전도도와 전자 전도도를 가지며 수증기 및 수소의 혼합물에도 안정한 특성을 가져야 하는데, 현재까지 음극의 구성 재료로는 대부분 니켈(Ni)을 포함한 복합재료로 니켈(Ni) 및 이트리움 안정화 지르코니아 (Yttrium stabilized Zirconia, 이하 YSZ)의 합금(이하 Ni/YSZ)이 주로 사용된다.
그러나, 상기 Ni/YSZ가 고온 수전해 수소 생성 장치에 사용되는 경우, 니켈 옥사이드(NiO)의 합금을 환원시킨 후 상기 수소 생성 반응에 이용한다. 하지만, 별도의 환원가스, 주로 수소, 가 상기 반응의 전단계로 요구되므로 비효율적이며, 또한 음극으로서 중요한 특성인 전기전도도 역시 환원과정을 통하여 나빠지게 되므로, 결론적으로 수소 생성 장치의 효율 및 성능이 나빠진다.
따라서 본 발명의 목적은 개선된 전기 화학 셀을 이용한 수소 생성 장치를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 제 1목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 생성 장치는 물을 저장하기 위한 저수조, 상기 저수조와 연결되어 상기 저수조로부터 제공되는 물을 수증기로 바꾸기 윈한 가열기, 상기 가열기로부터 제공되는 수증기를 수소 및 산소로 전기 분해하는 전기화학 셀, 상기 전기화학 셀을 포함하여 수소를 생성하기 위한 공간을 제공하는 수소 생성부 및 수소를 산소 및 잔류 수증기로부터 분리하기 위한 분리기를 포함한다.
도 1은 상술한 전기화학 셀을 이용한 수전해 수소 생산 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1를 참조하면, 먼저 물을 담는 저수조(402)에서 가열기(404)로 물이 제공된다. 이때, 상기 가열기(404)에 의하여 물은 고온의 수증기로 변화되어, 액체상태의 물을 직접 전기분해하는 것 보다 에너지적 측면에서 효율을 제공한다.
상기 가열기에 의하여 발생한 수증기는 상술한 전기화학셀(406)을 포함하는 수소 발생부(408)로 들어간다. 이후 고온의 수증기는 상기 전기화학셀(406) 음극에서 수소 및 산소 음이온으로 분해되고, 다시 산소 음이온은 상기 전기화학셀의 고체 전해질체를 통과하여 상기 전기화학셀(406)의 양극에서 산소로 바뀐다.
상기 수소 생성부 내에서 발생하는 수소, 산소 및 상기 수소 생성부내에서 잔류하는 수증기는 상기 수소 생성부로부터 분리기(410)를 거쳐서 수소 및 산소로 분리되고, 수증기는 다시 응축기를 거쳐 물로 응축된다.
이때, 고온의 수증기를 수소 및 산소로 분리하는 기능을 상기 전기 화학 셀 이 수행한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상기 수소 생성 장치의 개선된 전기화학 셀을 살펴보면 전기 전도성 물질인 백금으로 이루어진 양극(anode), 습식 밀링 공정에 의하여 분말의 평균 입자가 0.5 내지 1.5㎛이고 Ni의 함량이 40 내지 60 부피%인 Ni/YSZ로 이루어진 음극 및 YSZ로 이루어지며 상기 양극과 음극사이에 형성된 고체 전해질체(electrolyte)를 포함하는 전기화학 셀이 제공된다.
이하, 본발명의 실시예에 따른 수소 생성 장치의 개선된 전기화학 셀과 종래의 전기화학 셀의 음극을 비교예를 통하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 상기 전기화학 셀의 음극은 Ni분말 600ml와 YSZ 400ml를 혼합한후, 알파 터피놀(alpha-terpineol) 및 에탄올이 제공되는 분위기에서 습식 밀링 공정을 수행한 후, 상기 습식밀링 공정이 수행된 결과물을 별도의 수소를 이용한 환원 과정없이 진공 상태에서 성형한 후 이를 900℃에서 2시간동안 소결함으로서 Ni/YSZ 합금을 형성하였다.
비교예로서, 종래의 제조 방법에 따라 NiO분말 400ml 및 YSZ분말 600ml의 혼합물을 실시예 1과 동일 조건으로 습식 밀링한 후 900℃ 수소가스가 제공되는 분위기에서 수소 환원 시켜 Ni/YSZ 합금을 제조한 경우 그 전기전도성을 비교한 결과는 다음 표1과 같다.
방법 전기 전도도(S˙cm-1)
Ni/YSZ (실시예) 1.0 x 104
Ni/YSZ (비교예) 5 x 102
표 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수소 생성 장치의 개선된 전기화학셀의 음극은 동일 조건에서 종래의 방법에 따른 수소로 환원된 전극에 비하여 높은 전기 전도성을 가지므로 음극으로서의 성능이 개선되었다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 생성 장치를 이용하여 800℃의 수증기를 전기분해한 수소 생산량을 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수소 생산 장치에서 800℃의 온도 조건으로 1.6A 셀 전류에 대하여 0.5sccm의 수소가 생산되었음을 알 수 있다. 또한, 0.2A 이하의 셀 전류에 대하여는 이론적인 수소 생산량과 거의 비슷한 수준의 높은 수소 생산량을 나타냄을 알 수 있다.
상술한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소 생성 장치는 상기 수소 생성 장치가 포함하는 전기화학 셀이 별도의 환원 과정없이 사용될 수 있으며, 또한 전기 전도도 역시 향상되므로 수소 생성 장치의 수소 생성 성능이 향상된다.

Claims (3)

  1. 물을 저장하기 위한 저수조;
    상기 저주조로부터 제공되는 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 가열부;
    전기 전도성 물질로 이루어진 양극, 니켈(Ni)의 함량이 40-60 vol% 이고 평균 입자 크기가 0.5 내지 1.5㎛인 니켈/이트리움 안정화 지르코니아 (Yttrium Stabilized Zirconia, YSZ)합금으로 이루어진 음극 및 상기 양극 과 상기 음극 사이에 위치하며 산소 음이온에 대하여 전기 전도성을 갖는 고체 물질로 이루어진 전해질체를 포함하는 전기화학 셀(cell);
    상기 전기화학 셀을 내부에 포함하며 상기 가열기로부터 수증기를 제공받으며 전기분해에 의하여 수소 및 산소가 발생하는 공간을 제공하는 수소 생성부; 및
    상기 수소 생성부로부터 제공되는 수소를 산소 및 잔류 수증기로부터 분리하는 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  2. 상기 제 7항에 있어서, 상기 고체 전해질체는 이트리움 안정화 지르코니아 (Yttrium stabilized Zirconia), 바스무쓰 이트리움 산화물 (Bismuth Yttrium Oxide), 사마리움 함유 세리움 산화물 (Cerium Oxide dope with Samarium), 스트론튬 세레이트 (Strontium Cerate)로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어짐을 특징로 이루어짐을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
  3. 상기 제 7항 에 있어서, 상기 양극은 백금(pt),란탄늄 스트로튬 망간나이트(LaSrMnO3) 및 란탄늄 칼슘 망간나이트(LaCaMnO3)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 물질로 이루어짐을 특징으로 하는 수소 발생 장치.
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