KR20080050681A - Apparatus for generation and storage of hydrogen using photocatalytic decomposition of water - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 물의 광분해를 이용한 수소 제조 및 저장 장치 개략도 1 is a schematic diagram of a hydrogen production and storage device using photolysis of water
도 2는 제올라이트 물질에 대한 수소 저장 곡선 2 shows hydrogen storage curves for zeolite materials
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1: 자동차 배터리 2: 인버터 1: car battery 2: inverter
3: 광분해 반응기 4: 자외선 램프 3: photolysis reactor 4: ultraviolet lamp
5: 석영관 6: 반응물 5: quartz tube 6: reactant
7: 반응물 유입구 8: 반응물 출구 7: reactant inlet 8: reactant outlet
9: 수소 저장기 10: 압력 센서 9: hydrogen reservoir 10: pressure sensor
11: 가스 분석기 12: 교류 전원(220 V) 11: gas analyzer 12: AC power (220 V)
13: 수소 충전구 14: 기체이송펌프 13: hydrogen filling port 14: gas transfer pump
15: 접속구 16: 온오프 밸브(on-off valve) 15: Port 16: On-off valve
수소에너지는 인류가 당면하고 있는 에너지 자원 고갈과 환경오염문제를 해결할 수 있는 대안으로 잘 알려져 있다. 지구 온난화와 대기오염 방지 및 에너지 확보 차원에서 그 필요성은 한층 높아질 것으로 예측된다. 그러나 수소 에너지 시스템을 실용화하기 위해서는 수소의 제조, 수송, 저장, 변환, 이용 등 모든 분야에 있어서 해결해야 할 문제가 많다. 즉, 수소를 저렴한 가격으로 대량 생산할 수 있는 제조법과 저장법, 수송 방법 및 연료전지 등 다양한 기술을 확보하여야 한다.Hydrogen energy is well known as an alternative to solve the depletion of energy resources and environmental pollution. The need for global warming, air pollution prevention and energy conservation is expected to be even higher. However, in order to put a hydrogen energy system into practical use, there are many problems to be solved in all fields such as hydrogen production, transportation, storage, conversion, and use. In other words, a variety of technologies such as a production method, a storage method, a transportation method, and a fuel cell capable of mass-producing hydrogen at low prices should be secured.
연료전지는 수소에너지를 효율적으로 사용할 수 있는 방법으로 산화와 환원 반응을 통하여 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환시키는 발전장치이다. 연료전지는 수소를 산화제로 사용하고 공해물질을 배출하지 않으며, 기존 발전기술에 비해 발전효율이 높은 고효율, 친환경 기술이다.A fuel cell is a power generation device that converts chemical energy directly into electrical energy through oxidation and reduction reactions in a manner that can efficiently use hydrogen energy. The fuel cell uses hydrogen as an oxidant and emits no pollutants, and is a high-efficiency and eco-friendly technology with higher power generation efficiency than the existing power generation technology.
연료전지는 연료극(anode)과 공기극(cathode), 그리고 이들 사이에 있는 전해질로 구성된다. 연료극에 유입된 수소는 전극촉매에 의해 산화되어 수소이온과 전자로 분리되며, 분리된 수소이온은 전해질막을 통해 수소가 생성되며 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동한 후, 공기극으로 유입된 산소와 환원반응을 일으켜 물과 열, 전기에너지를 생성한다.A fuel cell consists of an anode, a cathode, and an electrolyte between them. Hydrogen introduced into the anode is oxidized by the electrode catalyst and separated into hydrogen ions and electrons. The separated hydrogen ions generate hydrogen through the electrolyte membrane, and the electrons move to the cathode through an external circuit, Reduction reaction generates water, heat and electrical energy.
마이크로 연료전지는 휴대폰, PDA, 노트북 PC, 캠코더, 로봇, 스쿠터, 응급전원 시스템 등 이동용 전자기기와 원격센서 및 초소형 actuator 등의 전원으로 사 용될 수 있는 출력 100 Wh 이하 소형 연료전지 시스템을 말한다. 특히, 휴대용 이동통신 기기의 경우 디스플레이 면적이 커지고, 대용량 데이터 송수신 기능과 사진 및 동영상 기능이 추가됨에 따라 더욱 고용량 전원을 필요로 하게 되었다. 이와 같이 휴대용 기기의 전력 소모가 증가함에 따라 마이크로 연료전지의 필요성도 증대하고 있다. Micro fuel cell refers to a small fuel cell system with a power output of 100 Wh or less that can be used as a power source for mobile electronic devices such as mobile phones, PDAs, notebook PCs, camcorders, robots, scooters, emergency power systems, remote sensors and micro actuators. In particular, portable mobile communication devices require a larger capacity power supply as the display area increases, and a large data transmission / reception function and a picture and video function are added. As the power consumption of portable devices increases, the need for micro fuel cells also increases.
마이크로 연료전지는 무공해이며 이동성이 뛰어나다. 기존 2차전지와 달리 충전시간이 매우 빠르거나 충전이 필요없이 연료 카트리지 교환으로 계속 사용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 인프라 구축이 용이하고 대형 연료전지 시스템에 비해 시장이 요구하는 성능과 가격 격차가 적어 시장진출이 용이하다. 이에 따라 현재 이용되는 배터리를 보완하고 대체하여 보다 오랜 시간 동안 휴대 기기를 연속 사용할 수 있는 연료전지 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. Micro fuel cells are pollution-free and are highly mobile. Unlike conventional secondary batteries, the charging time is very fast or it is possible to continue using the fuel cartridge without charging. In addition, it is easy to enter the infrastructure because infrastructure is easy to build and the performance and price gap required by the market is smaller than that of large fuel cell systems. Accordingly, the development of fuel cell technology capable of continuously using portable devices for a long time by supplementing and replacing the battery currently used is being actively performed.
마이크로 연료전지는 메탄올, 개미산, 에탄올 등을 직접 연료로 사용하는 직접 액체 연료전지(Direct Liquid Fuel Cell; DLFC)와 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; DMFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell; SOFC) 및 수소를 직접 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)가 있다. Micro fuel cells include Direct Liquid Fuel Cell (DLFC), Direct Methanol Fuel Cell (DMFC), and Solid Oxide Fuel that use methanol, formic acid, and ethanol as direct fuels. Cells (SOFC) and Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) using hydrogen as a direct fuel.
마이크로 연료전지는 연료전지 중에서 가장 먼저 상업화가 될 것으로 예상되는 분야이다. 마이크로 연료전지의 상업화 성공시 2차전지 시장의 판도에 지대한 영향을 미칠 것으로 예상된다. 여러 가지 시작품이 발표되고 있으나 아직까지는 시장을 형성하기에 수준과 가격이 미흡한 실정이다. DMFC의 경우는 출력 증대, 부피 감소, 가격 저감, 내구성 향상, 메탄올 공급 인프라 구축 등이 과제이다. PEMFC는 수소공급 인프라의 구축이 난제로 알려져 있다. Micro fuel cells are the first to be commercialized among fuel cells. The successful commercialization of micro fuel cells is expected to have a profound effect on the market of the secondary battery market. Various prototypes have been announced, but the level and price are still insufficient to form a market. In the case of DMFC, the challenge is to increase output, reduce volume, reduce prices, improve durability, and build a methanol supply infrastructure. PEMFC is known to be difficult to build hydrogen supply infrastructure.
DMFC는 메탄올 전극 촉매로 PtRu black을 사용하고 있으며, 귀금속 담지량이 5 mgPt/cm2으로 PEMFC보다 10배나 많으나 PEMFC에 비해 출력밀도가 낮은 단점이 있다. 그러나 PEMFC는 DMFC보다 성능면에서는 우수하지만 수소를 원활하게 공급할 수 있는 효율적인 수소 인프라가 뒷받침되어야 하는 문제가 있다.DMFC uses PtRu black as a methanol electrode catalyst, and the precious metal loading is 5 mgPt / cm 2 , 10 times higher than PEMFC, but has a lower output density than PEMFC. However, PEMFC has better performance than DMFC, but there is a problem that an efficient hydrogen infrastructure capable of supplying hydrogen smoothly must be supported.
고분자 전해질 연료전지에 수소를 공급하는 방법으로는 고압 수소가스로 저장하는 방법, 액체수소로 저장하는 방법, 금속 수소화물에 의한 저장 방법, 화석연료의 개질 방법 등이 잘 알려져 있으나, 수소 저장 부피, 무게, 안전성, 응답특성 등을 고려할 때 실용화에 어려움이 많다. 따라서 고분자 전해질 연료전지에 적합한 수소 저장 기술 개발이 절실히 요구되고 있다.As a method of supplying hydrogen to a polymer electrolyte fuel cell, a method of storing with high pressure hydrogen gas, a method of storing with liquid hydrogen, a method of storing with metal hydride, and a method of reforming fossil fuel are well known, but hydrogen storage volume, In consideration of weight, safety, and response characteristics, there are many difficulties in practical use. Therefore, there is an urgent need for the development of hydrogen storage technology suitable for polymer electrolyte fuel cells.
수소를 연료로 손쉽게 사용할 수 있는 인프라가 구축된다면 마이크로 연료전지 시장은 PEMFC가 일순간에 석권할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 즉, 연료전지 기술 발전 보다 연료 공급 인프라를 구축하는 것이 더욱 어려운 문제로 알려져 있어 이를 극복할 수 있다면 연료전지 시장의 판도가 바뀔 것으로 예상하고 있는 것이다. If the infrastructure to easily use hydrogen as fuel is established, the micro fuel cell market expects PEMFC to dominate in an instant. In other words, it is known that building a fuel supply infrastructure is more difficult than the development of fuel cell technology, and if it can be overcome, it is expected that the market of the fuel cell market will change.
IT용 마이크로 연료전지 산업은 전극, 촉매, 이온교환막, 세퍼레이터 등 재료 및 부품을 공급하는 단계, 이러한 부품으로 구성된 다수의 연료전지를 결합하는 스텍제조 단계, 그리고 이를 휴대용 전자기기 시스템에 연결하는 단계로 나눌 수 있다. The micro-fuel cell industry for IT includes supplying materials and components such as electrodes, catalysts, ion exchange membranes, and separators, manufacturing stacks that combine a plurality of fuel cells composed of these components, and connecting them to portable electronic systems. Can be divided.
소형 연료전지의 세계시장은 2002년경부터 형성된 것으로 추정되며, 일본의 NEC, 도시바 등에서 이를 이용한 제품을 출시한 것이 시장 진출의 시초이다. 본격적인 양산화는 2010년 이후가 될 것으로 전망되며, 초기단계에는 노트북 컴퓨터용 중심으로 전개되고 모바일 제품은 기술적 과제가 해결되는 2012년 이후가 될 것으로 예상되고 있다. 현재까지는 본격적인 시장이 형성되지 않고 있다. The global market for small fuel cells is estimated to have been around since 2002, and NEC, Toshiba, etc. of Japan have launched products using the same. Full-scale mass production is anticipated after 2010. In the initial stage, it is expected to be centered on notebook computers and mobile products after 2012 when technical challenges are solved. To date, no real market has been formed.
미국은 2040년경에 이르면 수소와 연료전지가 현재 미국의 1일 석유 수입량 수준인 1,100만 배럴의 석유 수요를 대체할 것으로 추산하고 있다. 향후 5년 동안 Hydrogen Fuel Initiative (수소인프라)와 FreedomCAR (연료전지차 연구파트너쉽)에 17억불을 투자할 계획으로 알려지고 있다. The United States estimates that by 2040, hydrogen and fuel cells will replace 11 million barrels of oil demand, the current level of oil imports per day. In the next five years, the company plans to invest $ 1.7 billion in the Hydrogen Fuel Initiative and FreedomCAR Research Partnership.
미국은 2003년 11월 IPHE (수소경제를 위한 국제 파트너쉽)를 결성하여 수소경제 구현을 위한 기술개발, 실증, 보급, 표준화, 안전, 홍보 분야에 대한 국제적인 협력을 주도하기 시작하였다. 2005년도 에너지 관련 예산 중 연료전지 분야는 18.9% 증가한 7,750만 달러이며, 수소 기술 개발은 16.3% 증가한 9,532만 달러를 책정하여 수소 관련기술 개발에 투자를 늘려가고 있다. In November 2003, the United States formed the IPHE (International Partnership for Hydrogen Economy) and began to lead international cooperation in technology development, demonstration, dissemination, standardization, safety, and public relations for the hydrogen economy. Of the energy budgets for 2005, the fuel cell sector increased by 18.9% to $ 75.7 million, and hydrogen technology development increased by 16.3% to $ 95.52 million, increasing investment in hydrogen-related technology development.
북미와 유럽에서는 노트북을 구동할 정도의 외장형 시스템에 대한 연구가 주류를 이루며 독일의 Smart Fuel Cell사는 어느 정도 초기 시장을 개척한 것으로 알려져 있다. 독일 정부는 수소 및 연료전지 관련 기술개발을 위해 German Hydrogen Energy Project에 1997년에는 25백만 DM, 2000년에는 31백만 DM을 투자하는 등 연구투자를 계속 늘리고 있다. 아울러 Hysolar project에 84.8백만 DM, 뮌헨공항 수 소화 프로젝트로 30백만 DM을 투자하고 있다. 벤츠 자동차에서는 수소에너지 자동차를 개발해 시운전하였다. 태양에너지를 이용한 수소 제조공장을 건설하였으며 수소엔진, 연료전지 시스템 개발에 집중하고 있다. In North America and Europe, research on external systems that drive notebooks has become mainstream, and Germany's Smart Fuel Cell is known to have pioneered the initial market to some extent. The German government continues to increase research investment in the German Hydrogen Energy Project to invest 25 million DM in 1997 and 31 million DM in 2000 to develop hydrogen and fuel cell technologies. It also invests 84.8 million DM in the Hysolar project and 30 million DM in the Munich Airport Hydrogen Project. Benz Motors developed and commissioned a hydrogen energy vehicle. It built a hydrogen manufacturing plant using solar energy and is concentrating on developing hydrogen engine and fuel cell system.
일본은 WE-NET project로 1993년부터 2020년까지 24억 달러를 연구에 투자할 계획을 발표하였다. 에너지 자급과 연료전지의 산업화를 위하여 자동차 및 가정용/건물용 연료전지 개발에 주력하고 있다. 2003년에는 연료전지자동차를 시판하고, 6개의 수소스테이션을 시범적으로 설치하였다. 2010년까지 연료전지자동차 5만대, 2020년에는 5백만 대를 보급할 예정이다. 아울러 2010년까지 가정용/건물용 연료전지 201만 kW, 2020년 1,000만 kW를 공급할 목표를 설정하였다. 일본은 노트북용 내장형 전원 및 휴대용 기기의 내장형 전원 연구가 많이 이루어지고 있으며 PDA용 소형 시스템에 대한 연구도 매우 활발하다.Japan has announced plans to invest $ 2.4 billion in research from 1993 to 2020 under the WE-NET project. It is focusing on developing fuel cells for automobiles, homes and buildings for energy self-sufficiency and industrialization of fuel cells. In 2003, a fuel cell vehicle was launched and six hydrogen stations were piloted. It is expected to supply 50,000 fuel cell vehicles by 2010 and 5 million by 2020. In addition, the company has set a goal to supply 201 million kW for residential and building fuel cells by 2010 and 10 million kW by 2020. In Japan, there are many researches on the power supply for notebooks and the power supply for portable devices, and the research on small systems for PDAs is very active.
그 밖에 프랑스, 영국, 중국, 이스라엘 등도 수소에너지 기술에 대해 활발히 연구하고 있다.In addition, France, the United Kingdom, China and Israel are also actively researching hydrogen energy technology.
우리나라 수소에너지 응용기술은 국가의 핵심적인 혁신전략기술로 선정되어 전폭적인 지원을 받고 있는 연구 분야이다. 산업자원부와 과학기술부는 수소에너지 사업단, 프론티어사업단 등을 구성하여 수소에너지 관련 연구를 지원하고 있다. Korea's hydrogen energy application technology is selected as the core innovation strategy technology of the country and is receiving full support. The Ministry of Commerce, Industry and Energy and the Ministry of Science and Technology have formed a hydrogen energy business team and a frontier business team to support hydrogen energy research.
수소 저장물질 개발에 관한 연구는 우리나라도 활발하다. 수소 저장합금에 관한 연구는 많은 연구자에 의해 오래전부터 진행되어 오고 있으며 탄소나노튜브의 개발과 함께 이를 수소 저장에 적용하고자하는 연구도 활발히 진행되고 있다. 최근에는 얼음입자에 수소를 다량 저장할 수 있는 기술을 발표하여 세계의 관심을 끌 정도로 우리나라의 기술 수준은 세계 정상급이며 연구 열의도 매우 높다.Research on the development of hydrogen storage materials is also active in Korea. Research on hydrogen storage alloys has been conducted by many researchers for a long time, and researches on applying carbon nanotubes to hydrogen storage have been actively conducted. Recently, Korea's technology level is world-class and the research enthusiasm is very high enough to attract the world's attention by releasing technology that can store large amount of hydrogen in ice particles.
마이크로 연료전지의 국내시장은 세계시장의 15% 가량 될 것으로 추정되고 있다. 마이크로 연료전지의 상업화를 위해서는 가격저하, 시스템 소형화, 내구성 증대와 같은 기술적인 요인 외에도 연료 인프라 구축이 필요하다.The domestic market for micro fuel cells is estimated to be around 15% of the global market. Commercialization of micro fuel cells requires the construction of fuel infrastructure in addition to technical factors such as price reduction, system miniaturization, and durability.
노트북용의 경우 내장형과 외장형 두 가지 형태가 모두 가능하나, 배터리 charger 개념을 가진 외장형 전원이 먼저 보급될 것으로 보이며, 2008년에는 시장진입이 가능할 것으로 예측되고 있다. 이후 PDA, 디지털카메라, 캠코더 등 고가 장비에 대한 시장이 형성될 것으로 보인다. 마지막으로 mobile phone용 마이크로 연료전지 시장에 진입하게 될 것으로 예측되고 있으며 이를 위해서 소재 및 부품 생산기술과 수소 연료 인프라 구축에 많은 연구가 집중되고 있는 상황이다.In the case of laptops, both internal and external types are available, but an external power source with a battery charger concept is expected to be supplied first, and it is expected to enter the market in 2008. The market for high-end equipment such as PDAs, digital cameras, and camcorders is expected to form. Lastly, it is expected to enter the micro fuel cell market for mobile phones, and for this purpose, a lot of research is focused on material and parts production technology and hydrogen fuel infrastructure construction.
우리나라 대기업에서는 DMFC를 이용한 마이크로 연료전지를 개발 중이나, 아직 상용화 단계에는 이르지 못한 것으로 알려져 있다. 2차전지를 대체할 수 있는 차세대 성장사업이 될 수 있으나, 현재 기술 수준으로 시장을 형성하기에는 미흡하며, 이를 기업만의 노력으로 극복하기에는 어려움이 많은 실정이다. In Korea, large companies are developing micro fuel cells using DMFC, but it is known that they have not reached the commercialization stage yet. It may be a next-generation growth business that can replace the secondary battery, but it is insufficient to form a market at the current technology level, and it is difficult to overcome this by the company's own efforts.
본 발명에서는 연료전지를 위한 수소 제조 및 저장 장치를 제공하고자 한다. 수소 제조는 광촉매를 이용하여 물을 광분해하여 수소를 얻는 방법을 제공한다. 물의 광분해로부터 제조한 수소를 제올라이트 물질을 사용하여 저장하는 수소 제조 및 저장 장치를 제공한다. 수소 제조 및 저장 장치는 수소 저장 장치를 분리하여 연료전지를 충전할 수 있는 착탈식으로 구성된다. 수소 제조 장치에 필요한 에너지원은 에너지 비용을 절감하기 위해 자동차 운행 중 유휴 배터리를 에너지원으로 사용할 수 있으며 일반 전기도 사용할 수 있도록 구성된다. The present invention is to provide a hydrogen production and storage device for a fuel cell. Hydrogen production provides a method of obtaining hydrogen by photolyzing water using a photocatalyst. Provided is a hydrogen production and storage device for storing hydrogen prepared from photolysis of water using zeolite materials. The hydrogen production and storage device is detachably configured to charge the fuel cell by separating the hydrogen storage device. The energy source needed for the hydrogen production unit can use idle batteries as an energy source while driving a vehicle to reduce energy costs, and is also configured to use general electricity.
본 발명에서 제공하는 수소 제조 방법은 물의 광분해에 의한 방법을 채택한다. 반응물인 순수한 물과 광촉매 또는 첨가제가 혼합된 물에 광촉매를 혼합한 반응물(6)을 광분해 반응기(3)에 넣는다. 광분해 반응기는 반응물을 공급할 수 있는 반응물 유입구(7)와 반응물 출구(8)가 설치되어 있으며 자외선 램프(4)를 집어넣을 수 있는 석영관(5)이 설치되어 있다. 램프는 100-1000 W 자외선 램프를 사용한다. The hydrogen production method provided by the present invention adopts a method by photolysis of water. The reactant 6 obtained by mixing the photocatalyst with water mixed with pure water and photocatalyst or additive as a reactant is placed in the photolysis reactor 3. The photolysis reactor is provided with a reactant inlet 7 and a reactant outlet 8 for supplying a reactant, and a quartz tube 5 for inserting an ultraviolet lamp 4. The lamp uses a 100-1000 W ultraviolet lamp.
자외선 램프의 전원은 220 V로 일반 교류 전기를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 자외선 램프에 사용되는 에너지를 저감하기 위하여 자동차 배터리(1)를 사용하는 방안을 제공한다. 자동차 배터리는 시동을 걸 때 전원으로 사용되고 주행 중에는 자동차의 제너레이터에 의해 충전된다. 따라서 주행 중에 배터리는 자동차 주행과 관련해서 사용되지 않는다. 본 발명에서는 운행중인 자동차의 전원을 물의 광분해를 위한 자외선 램프의 전원으로 사용한다. 즉, 자동차의 배터리(1)에서 발생하는 12 V 직류전원을 인버터(2)를 사용하여 직류 12 V를 220 V 교류로 변환시켜 자외선 램프의 전원으로 사용한다. 자동차 배터리에서 사용된 전력은 자동차가 주행함에 따라 계속 충전되므로 실제 물의 광분해에 사용되는 자외선 램프의 에너지 사용량은 제로에 가깝다. Ultraviolet lamp power is 220V and can use general alternating current. The present invention provides a method of using the vehicle battery (1) to reduce the energy used in the ultraviolet lamp. The car battery is used as a power source when starting and is charged by the car's generator while driving. Therefore, the battery is not used in connection with driving a car while driving. In the present invention, the power of a vehicle in operation is used as a power source of an ultraviolet lamp for photolysis of water. That is, the 12 V DC power generated from the
물의 광분해 반응기에서 제조된 수소는 기체이송펌프(14)를 사용하여 수소 저장기(9)로 보내진다.수소 저장기에는 다공성 제올라이트계 수소 저장물질을 충진하여 수소를 흡착하여 저장하였다가 탈착하여 수소를 공급할 수 있도록 구성된다. 연료전지 등은 수소 저장기의 수소 충전구(13)에 연결하여 수소를 공급받을 수 있다.Hydrogen produced in the photolysis reactor of water is sent to the hydrogen reservoir (9) using a gas transfer pump (14). The hydrogen reservoir is filled with a porous zeolite-based hydrogen storage material to adsorb and store hydrogen, and then desorbed to obtain hydrogen. It is configured to supply. The fuel cell may be connected to the
도 1에 제시한 바와 같이 본 발명에서 제공하는 수소 제조 및 저장 장치는 자동차에 탑재할 수 있는 크기로 구성되며 수소 제조를 위한 광분해 반응기(3)와 수소 저장기(9)는 접속구(15)를 분리하거나 결합하여 탈부착할 수 있도록 구성된다. 이러한 기능은 수소를 공급하고자 할 때는 광분해 반응기(3)와 수소 저장기(9)를 분리하여 보관하였다가 편리하게 수소를 공급할 수 있게 하기 위함이다. As shown in FIG. 1, the hydrogen production and storage device provided in the present invention has a size that can be mounted in an automobile, and the photolysis reactor 3 and the hydrogen reservoir 9 for hydrogen production include a
광분해 반응기에서 생성된 기체의 성분과 조성은 가스 분석기(11)로 기체를 보내 분석할 수 있도록 구성된다. 기체 흐름관에는 기체의 흐름을 개폐할 수 있는 on-off 밸브(16)가 설치되어 있다.The composition and composition of the gas produced in the photolysis reactor is configured to send the gas to the gas analyzer 11 for analysis. The gas flow pipe is provided with an on-off
<실시예 1> 물의 광분해 반응에 의한 수소 제조 실험Example 1 Hydrogen Production Experiment by Photolysis of Water
도 1에 보인 수소 제조 장치를 이용하여 물의 광분해 반응에 의한 수소 제조 실험을 하였다. 2차 증류수와 첨가제로 아세트알데히드와 메탄올을 1:1로 혼합하여 증류수에 대한 부피비가 5%가 되도록 첨가한 혼합액 500 ml를 반응물로 사용하였다. 광촉매는 Cs가 1 wt% 담지된 nano titania 1.0 g을 반응물에 현탁하였다. 광원은 450 W 고압 수은 램프를 사용하였다. 광분해 반응에 의해 생성된 기체의 조성과 농도는 가스크로마토그래프(11)를 이용하여 분석하였다.Hydrogen production experiment by photolysis reaction of water was performed using the hydrogen production apparatus shown in FIG. Acetaldehyde and methanol were mixed 1: 1 with secondary distilled water and an additive, and 500 ml of the mixed solution added so that the volume ratio to distilled water was 5% was used as a reactant. The photocatalyst suspended 1.0 g of nano titania with 1 wt% Cs in the reaction. The light source used a 450 W high pressure mercury lamp. The composition and concentration of the gas produced by the photolysis reaction were analyzed using the gas chromatograph (11).
물의 광분해 반응에 의해 생성된 기체는 수소만 검출되었다. 이 반응 조건에서는 산소가 생성되지 않았으며 수소의 생성률은 35 mmol/h이었다. 48시간이 지나도 수소 생성률은 거의 일정하여 촉매의 활성저하는 나타나지 않았다. 반응시간이 5일 정도 경과하면 CO가 검출되었다. CO의 초기 농도는 1% 미만이었으나 반응시간이 경과함에 따라 CO 발생량이 조금 씩 늘어났다. Only hydrogen was detected in the gas produced by the photolysis reaction of water. Under the reaction conditions, no oxygen was produced and the hydrogen production rate was 35 mmol / h. After 48 hours, the hydrogen production rate was almost constant, indicating no deactivation of the catalyst. CO was detected when the reaction time was about 5 days. Although the initial concentration of CO was less than 1%, the amount of CO generated slightly increased as the reaction time passed.
<실시예 2> 제올라이트 물질의 수소 저장량 측정Example 2 Determination of Hydrogen Storage of Zeolite Material
수소 저장물질을 수소 저장기에 충진하여 수소를 저장하는 물질로 사용하기 위해서는 저장 물질의 수소 저장량 평가가 필요하다. 이 실시예에서는 제올라이트의 수소 저장량을 조사하였다. 실험에 사용한 제올라이트는 US-Y (Tosoh Co., Japan)와 Mordenite (H-MOR(10), Si/Al=10, Tosoh Co., Japan)를 사용하였다. Mordenite의 Si/Al 비에 따른 수소 저장량 차이를 조사하기 위해 Mordenite (H-MOR(10))를 6 N 황산용액으로 처리하여 골격 속의 알루미늄을 제거하였다. 알루미늄이 제거된 Mordenite는 Si/Al 비에 따라 그 값을 괄호 안에 표기하였다.In order to use the hydrogen storage material as a material for storing hydrogen by filling the hydrogen storage material, it is necessary to evaluate the hydrogen storage amount of the storage material. In this example, the hydrogen storage of the zeolite was investigated. Zeolites used in the experiments were US-Y (Tosoh Co., Japan) and Mordenite (H-MOR (10), Si / Al = 10, Tosoh Co., Japan). Mordenite (H-MOR (10)) was treated with 6 N sulfuric acid to remove the aluminum in the skeleton to investigate the difference in hydrogen storage according to the Si / Al ratio of Mordenite. Mordenite with aluminum removed is given in parentheses according to the Si / Al ratio.
수소 저장량은 진공에서부터 150 기압까지 가하면서 압력변화로부터 저장량을 계산할 수 있는 부피식 고압 수소 저장량 측정방법을 적용하여 PCT (Pressure-Composition Temperature) 선도로부터 구하였다. Hydrogen storage was calculated from PCT (Pressure-Composition Temperature) diagram by applying the volumetric high pressure hydrogen storage measuring method that can calculate the storage from the change in pressure while applying from vacuum to 150 atm.
제올라이트의 수소 저장량은 30 ℃를 유지하는 반응관에 제올라이트를 충진한 후 진공 상태에서부터 수소를 조금 씩 공급하여 수소저장물질에 흡착시키면서 100 기압까지 가압하여 수소 저장량을 측정하였다. 측정한 결과는 도 2에 나타내었다. 도 2에 보인 바와 같이 측정 결과 Mordenite가 US-Y 보다 수소 저장량이 많았다. Mordenite는 Si/Al 비가 클수록 수소 저장량이 많은 것으로 조사되었다. H-MOR(10) mordenite의 수소 저장량이 1.7 wt%로 가장 많았으며 50 기압 이상에서는 더 이상 수소 흡장이 일어나지 않았다. The amount of hydrogen stored in the zeolite was filled with zeolite in a reaction tube maintained at 30 ° C., and then hydrogen was supplied little by little from the vacuum state to be adsorbed onto the hydrogen storage material, and then pressurized to 100 atm to measure the amount of stored hydrogen. The measured result is shown in FIG. As shown in FIG. 2, Mordenite had more hydrogen storage than US-Y. Mordenite was found to have higher hydrogen storage as the Si / Al ratio increased. The hydrogen storage of H-MOR (10) mordenite was the highest (1.7 wt%) and no hydrogen occlusion occurred above 50 atm.
수소에너지 기술 개발은 핵심적인 국가 혁신전략기술로 책정하여 기술개발에 지원을 아끼지 않고 있어 이 분야에 대한 연구 집중도가 높아지고 있다. 수소에너지 기술 중 중요한 부분을 차지하고 있는 수소 제조 및 저장기술에 대한 개발은 우리나라 수소에너지 기술 발전의 밑거름이 될 것으로 판단된다.The development of hydrogen energy technology is set as a core national innovation strategy technology, and the support for technology development is spared, and the concentration of research in this field is increasing. The development of hydrogen production and storage technology, which is an important part of hydrogen energy technology, is believed to be the foundation for the development of hydrogen energy technology in Korea.
연료전지 산업은 기술개발에 따른 산업화가 급속하게 전개되고 있는 기술 주도형 산업분야이다. 그러나 기술 진입 장벽이 높아 대기업이라 하더라도 단기간 대규모 투자로 양산화가 어렵고, 외국 선도기업으로부터 기술 도입도 어려울 것으로 예상되는 분야이어서 기술 개발이 성공될 경우, 국내뿐 아니라 세계 진출도 용이할 것이라 판단된다.The fuel cell industry is a technology-driven industrial field in which industrialization is rapidly progressing due to technology development. However, it is difficult to mass-produce large companies in a short time due to high barriers to entry of technology, and it is expected that it will be difficult to introduce technology from foreign leading companies. Therefore, if technology development is successful, it will be easy to enter the world as well as Korea.
이동성이 중시되는 최근 IT 산업에 있어서 이동형 전원은 매우 중요하다. 지금까지는 이 역할을 2차전지가 담당하였으나 마이크로 연료전지가 등장함에 따라 이동형 전원의 경쟁구도 변화가 불가피할 전망이다. 휴대용 연료전지의 경우 수소인프라에 대한 의존도가 크게 높은 편이 아니어서 가격과 성능을 만족시킨다면 향 후 시장이 급속히 확대될 것으로 전망된다.In the recent IT industry where mobility is important, mobile power is very important. Until now, secondary batteries have played this role, but with the advent of micro fuel cells, the competitive landscape of mobile power supplies will inevitably change. In the case of portable fuel cells, the dependence on hydrogen infrastructure is not very high, and if the price and performance are satisfied, the market is expected to expand rapidly.
물의 광분해에 의한 수소제조는 순수 수소를 물로부터 얻을 수 있기 때문에 화석연료로부터 수소를 얻는 다른 방법과 달리 교토의정서에 따른 탄소세 부담을 경감시킬 수 있는 친환경적 기술로 국가 경제에 기여할 수 있을 것이다. Hydrogen production by photolysis of water can contribute to the national economy as an eco-friendly technology that can reduce the carbon tax burden under the Kyoto Protocol, unlike other methods of obtaining hydrogen from fossil fuels because pure hydrogen can be obtained from water.
본 발명에서 제공하는 물의 광분해를 이용한 수소 제조 및 저장 장치에 의하면, 많은 장점에도 불구하고 수소연료 인프라로 인해 개발에 제약을 받았던 연료전지 개발과 확산에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대되며 본격적으로 실용화를 추진할 수 있어 세계적으로도 기술 우위를 점할 수 있을 것으로 기대된다.According to the hydrogen production and storage device using photolysis of water provided by the present invention, despite many advantages, it is expected to contribute greatly to the development and proliferation of fuel cells, which have been limited due to the hydrogen fuel infrastructure. It is expected that it will be able to take the technical advantage globally.
Claims (3)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1020060121195A KR20080050681A (en) | 2006-12-04 | 2006-12-04 | Apparatus for generation and storage of hydrogen using photocatalytic decomposition of water |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR101376757B1 (en) * | 2011-11-07 | 2014-03-26 | 한국전기연구원 | Photocatalytic device for carbon dioxide methanation reaction |
-
2006
- 2006-12-04 KR KR1020060121195A patent/KR20080050681A/en not_active Application Discontinuation
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