KR20110094966A - 수소 발생 방법 및 이를 이용하는 연료전지 - Google Patents
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Abstract
수소 발생 방법이 제공되며, 상기 방법에 의해 얻어진 수소와 산소는 연료전지 시스템에 연료로서 공급될 수 있다.
상기 수소 발생방법은 원료인 이산화탄소를 환원시켜 일산화탄소와 산소를 생성한 후, 산소를 분리하고, 잔류하는 일산화탄소를 수성 가스 반응에 의해 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하며, 생성된 이산화탄소와 수소를 분리하는 단계;를 포함한다.
상기 수소 발생방법은 원료인 이산화탄소를 환원시켜 일산화탄소와 산소를 생성한 후, 산소를 분리하고, 잔류하는 일산화탄소를 수성 가스 반응에 의해 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하며, 생성된 이산화탄소와 수소를 분리하는 단계;를 포함한다.
Description
수소 발생 방법 및 이를 이용하는 연료전지가 제공되며, 상기 수소는 CO2의 광화학전환에 의하여 제조된 CO와 물을 사용하는 화학 전환을 통해 얻어진다.
수소는 지구에서 가장 풍부한 자원 중 하나로 산소와 반응하여 큰 에너지를 발생하면서도 부산물로 물만을 생성하므로, 자원 고갈의 문제뿐만 아니라 환경 오염 문제를 동시에 해결할 수 있고, 아울러 중량당 높은 에너지 밀도를 가지며, 열 및 전기화학적 에너지로의 변환이 용이하다는 장점을 갖고 있다. 따라서 수소는 화석연료의 한계인 부존자원의 고갈과 지구온난화 및 환경오염 문제를 극복할 수 있는 유일한 대안이라 할 것이다.
이러한 수소를 가장 효율적으로 활용할 수 있는 핵심기술은 수소를 연료로 하는 연료전지의 개발이라 할 것인 바, 세계 각국에서는 에너지 산업 및 정책과 맞물려 수소에너지를 활용한 연료전지의 실용화 개발에 박차를 가하고 있다. 다만, 현실적으로 연료전지를 실용화하기 위해서는 기술적인 부분에서 여러 가지 해결해야 할 과제가 많고, 그 중에서도 특히 수소의 안정적인 공급 방법이 중요하다 할 것이다.
본 발명의 일 측면은 연료전지용 연료인 수소를 제공할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면은 상기 수소 발생 방법을 채용한 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 일측면에 따라,
이산화탄소를 환원시켜 일산화탄소와 산소를 생성한 후, 산소를 분리하는 단계;
산소를 분리한 후 잔류하는 일산화탄소를 수성 가스 반응에 의해 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하는 단계; 및
생성된 이산화탄소와 수소를 분리하는 단계;를 포함하는 수소 발생 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 일측면에 따라, 상기 공정에서 생성된 수소와 산소는 연료전지에 공급되어 연료전지 시스템을 형성하게 된다.
본 발명의 일구현예에 따르면, 이산화탄소와 물을 사용하여 수소와 산소를 생성할 수 있으며, 이와 같이 얻어진 수소와 산소는 연료전지와 같은 다양한 분야에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일구현예에 따른 수소 발생 방법을 연료전지 시스템에 적용한 개략도를 나타낸다.
상기 일태양에 따른 수소 발생 방법에 따르면, 이산화탄소를 원료로 하여 광화학전환을 통해 생성된 일산화탄소와 물을 반응시켜 얻어진 수소를 분리하고, 또한 일산화탄소와 함께 생성된 산소를 분리함으로써 원료인 이산화탄소로부터 수소 및 산소를 생성하는 것이 가능해진다. 이와 같이 얻어진 수소와 산소는 이를 원료로 하는 다양한 공정이나 분야에 사용하는 것이 가능해진다.
상술한 수소 발생 방법을 반응식으로 나타내면 다음과 같다:
(1) CO2 -> CO + 1/2 O2 => 산소 분리
(2) CO + H2O -> H2 + CO2 => 수소 분리
상기 반응식에서 분리된 수소와 산소를 원료로 사용하는 장치 또는 공정에서는 이하의 반응식과 같이 반응하여 전자와 에너지(Q)를 제공하게 된다.
(3) H2 + 1/2 O2 -> H2O + e- + Q
상기 반응식을 전체적으로 나타내면 하기 반응식과 같다:
상기 전체 공정에 기재한 바와 같이 CO2를 원료로 사용하며, 중간 생성물인 수소와 산소가 반응하여 물이 다시 생성되므로 결과적으로는 최종 결과물로서 다시 CO2가 얻어진다. 즉, 원료로 사용된 이산화탄소가 생성물로 다시 얻어지므로 이를 재순환시키는 것이 가능해진다. 또한 중간에 생성된 물(H20)의 경우도, 수소와 산소의 반응에 의해 다시 얻어지므로 이 또한 재순환시키는 것이 가능해진다.
상기 수소 발생 방법을 각 공정별로 설명하면 다음과 같다.
하기 반응식과 같이 우선 원료인 이산화탄소를 환원시켜 일산화탄소와 산소를 생성하게 된다.
CO2 -> CO + 1/2 O2
상기 반응은 광촉매의 존재하에 기체 상태의 이산화탄소에 소정 에너지의 광을 조사하여 수행할 수 있다. 이때 사용되는 광촉매로서는 광조사를 통한 이산화탄소의 환원공정에 사용할 수 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 담지된 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 크롬(Cr); 텅스텐(W), 철(Fe), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 주석(Sn), 납(Pb), 알칼리 금속, 알칼리 토금속의 산화물 또는 이들의 혼합물; 아연(Zn), 갈륨(Ga), 인듐(In), 셀레늄(Se), 카드뮴(Cd)의 황화물 또는 이들의 혼합물; 갈륨(Ga), 인듐(In)의 인화물 또는 이들의 혼합물; 탄소(C), 붕소(B), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 탄탈륨(Ta)의 질화물 또는 이들의 혼합물; 텅스텐(W), 철(Fe), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 주석(Sn), 납(Pb), 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 갈륨(Ga), 인듐(In)의 부분질화산화물, 부분황화산화물 또는 부분탄화산화물; 또는 상기 광촉매들의 조합물을 사용할 수 있다.
상기 이산화탄소의 환원 공정에 의해 얻어진 결과물로부터 산소를 분리하게 되며, 이는 산소 분리막(oxygen transfer membrane)을 이용하여 수행할 수 있다. 상기 산소 분리막은 산소를 선택적으로 통과시키는 멤브레인으로서 ITM (Ion Transfer Membrane), 페로브스카이트계 소재의 멤브레인, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ; Yttria Stabilized Zirconia) 소재의 멤브레인, Sc-ZrO2 소재의 멤브레인 등으로 구성될 수 있다. 분리된 산소는 이후의 공정에 사용될 수 있다.
산소가 분리된 후, 잔류하는 일산화탄소는 수성 가스 전환 반응(WGS; Water-Gas Shift)에 의해 물과 함께 반응하여 이하의 반응식과 같이 이산화탄소와 수소를 생성하게 된다.
CO + H2O -> H2 + CO2
상기 수성 가스 전환 반응은 당업계에 알려져 있는 통상의 방법에 따라 수행할 수 있으며, 예를 들어 수성 가스 전환 반응용 촉매와 함께 사용될 수 있다. 이와 같은 촉매로서는 수성 가스 전환 반응용 촉매로서 알려져 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어 Cu/Zn/Al2O3의 복합 촉매; 담지된 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 금(Au); 담지된 텅스텐(W), 철(Fe), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 주석(Sn), 납(Pb), 세륨(Ce), 알칼리 금속, 알칼리 토금속의 산화물 또는 이들의 혼합물; 또는 이들의 조합물을 사용할 수 있다.
한편, 상기 수성 가스 전환 반응에 의해 얻어진 이산화탄소는 다시 원료로 순환사용이 가능하다. 즉, 수소를 분리한 후 잔류하는 이산화탄소를 상술한 바와 같은 이산화탄소의 환원 공정에 다시 투입함으로써 폐기물의 방출 없이 상기 수소를 효율적으로 발생시키게 된다.
이어서, 상기 수성 가스 전환 반응에 의해 얻어진 결과물로부터 수소를 분리하게 되는 바, 이와 같은 수소의 분리 공정은 수소 분리막을 통하여 수행할 수 있다. 상기 수소 분리막으로서는 수소를 통과시킬 수 있는 필터 형태라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 팔라듐(Pd), 실리카 (SiO2), 구리(Cu), 은(Ag) 또는 이들의 합금으로 구성된 멤브레인을 사용할 수 있다.
상기와 같은 일태양에 따른 수소 발생 방법을 수행하게 되면, 최종적으로 분리된 형태의 수소와 산소를 각각 얻게 되는 바, 이와 같이 얻어진 수소와 산소는 산업적으로 다양한 분야에 사용될 수 있으며, 예를 들어 수소를 연료로 사용하는 연료전지 시스템에 적용할 수 있다.
연료전지는 연료(수소, LNG, LPG 등)와 공기의 화학 에너지를 전기 화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치이다. 이와 같은 연료전지는 일반적으로 연료극, 공기극 및 전해질층에 해당하는 멤브레인으로 구성되며, 상기 연료극은 수소(H2)를 공급받아 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해한다. 생성된 수소 이온은 멤브레인을 거쳐 공기극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시키며 공기극으로 이동한다. 그리고 공기극에서 수소 이온과 전자, 그리고 산소가 결합하여 물이 된다. 상술한 연료전지에서의 화학 반응식은 하기 반응식과 같다.
연료극: H2 → 2H+ + 2e-
공기극: 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H20
전체반응: H2 + 1/2 O2 → H2
상술한 일태양에 따른 수소 발생 방법을 연료전지에 채용한 일구현예를 도 1에 도시한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 광촉매의 존재하에 연료인 이산화탄소에 광을 조사하면 환원이 되어 일산화탄소와 산소가 생성이 되며, 얻어진 생성물을 산소 분리막을 통과시키면 산소가 분리된다. 분리된 산소는 연료전지 시스템의 공기극으로 공급된다. 산소가 분리된 후 잔류하는 일산화탄소는 이어서 촉매의 존재하에 수성 가스 전환 반응에 의해 물과 반응하여 수소와 이산화탄소를 생성하게 되며, 얻어진 생성물을 수소 분리막을 통과시켜 수소가 분리된다. 분리된 수소는 연료전지 시스템의 연료극으로 공급된다. 연료전지 시스템의 연료극으로 공급된 수소는 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해된다. 생성된 수소 이온은 연료전지 시스템의 멤브레인(전해질층)을 거쳐 공기극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시키며 공기극으로 이동한다. 그리고 공기극으로 공급된 산소가 상기 공기극으로 이동한 수소와 전자와 결합하여 물이 된다.
상기 도 1에 도시된 각 공정의 구체적인 설명은 이미 상술한 바와 같다.
상기 도 1에 도시된 공정에서, 공기극에서 수소와 산소가 반응하여 얻어진 물은 다시 수성 가스 전환 반응에 재공급되어 순환될 수 있으며, 수소 분리막에 의해 수소를 분리하고 남은 이산화탄소는 다시 연료물질로 재공급되어 순환될 수 있다.
상술한 수소 발생 방법에 의해 얻어진 수소를 연료로서 사용할 수 있는 연료전지는 특별히 한정되지 않으나, 인산형, 용융 탄산염형, 고체산화물형 및 고분자전해질형 등에 사용할 수 있다.
상기 수소 발생 방법에서 사용된 이산화탄소, 산소, 일산화탄소, 수소 등은 기체 형태로 사용될 수 있으며, 이와 같은 기체는 소정 압력 및 온도에서 각 공정의 반응이 수행될 수 있는 바, 이와 같은 압력 및 온도 범위는 목적하는 용도에 따라 당업자 수준에서 적절히 제어될 수 있는 것으로 특별히 한정될 필요는 없다.
이하, 구체적인 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하기로 하되, 이들 실시예는 단지 본 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
광촉매를 이용하여 자외선부터 가시광 영역(파장: 200 ~ 700 nm)의 빛을 조사하는 램프 또는 태양광을 사용하고, CO2를 주입하여 CO와 O2로 전환한다.
생성된 O2는 산소분리막을 사용하여 분리하고, CO는 물과 함께 수성 가스 전환 반응 촉매를 이용하여 수소와 CO2로 전환한다. 생성된 수소는 수소 분리막을 사용하여 분리함으로써 최종적으로 수소를 제조한다.
실시예 2
상기 실시예 1에서 제조된 수소와 산소는 고분자전해질형연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)의 연료극과 공기극으로 각각 공급되어, 최종적으로 전기와 열을 발생하며, 공기극에서는 물을 배출하게 된다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예들에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
Claims (9)
- 이산화탄소를 환원시켜 일산화탄소와 산소를 생성한 후, 산소를 분리하는 단계;
산소를 분리한 후 잔류하는 일산화탄소를 수성 가스 반응에 의해 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생성하는 단계; 및
생성된 이산화탄소와 수소를 분리하는 단계;를 포함하는 수소 발생 방법. - 제1항에 있어서,
상기 이산화탄소의 환원 공정이 광촉매의 존재하에 광을 조사하여 수행되는 것인 수소 발생 방법. - 제2항에 있어서,
상기 광촉매가 담지된 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 크롬(Cr); 텅스텐(W), 철(Fe), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 주석(Sn), 납(Pb), 알칼리 금속, 알칼리 토금속의 산화물 또는 이들의 혼합물; 아연(Zn), 갈륨(Ga), 인듐(In), 셀레늄(Se), 카드뮴(Cd)의 황화물 또는 이들의 혼합물; 갈륨(Ga), 인듐(In)의 인화물 또는 이들의 혼합물; 탄소(C), 붕소(B), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge), 탄탈륨(Ta)의 질화물 또는 이들의 혼합물; 텅스텐(W), 철(Fe), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 주석(Sn), 납(Pb), 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 갈륨(Ga), 인듐(In)의 부분질화산화물, 부분황화산화물 또는 부분탄화산화물; 또는 상기 광촉매들의 조합물인 것인 수소 발생 방법. - 제1항에 있어서,
상기 산소의 분리공정이 ITM (Ion Transfer Membrane), 페로브스카이트계 소재의 멤브레인, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ; Yttria Stabilized Zirconia) 소재의 멤브레인 또는 Sc-ZrO2 소재의 멤브레인을 사용하여 산소를 선택적으로 통과시켜 수행하는 것인 수소 발생 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수성 가스 전환 반응이 촉매하에 진행되며, 상기 촉매가 Cu/Zn/Al2O3의 복합 촉매; 담지된 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 크롬(Cr), 금(Au); 담지된 텅스텐(W), 철(Fe), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 아연(Zn), 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 바나듐(V), 주석(Sn), 납(Pb), 세륨(Ce), 알칼리 금속, 알칼리 토금속의 산화물 또는 이들의 혼합물; 또는 이들의 조합물;인 것인 수소 발생 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수성 가스 전환 반응에 의해 얻어진 이산화탄소가 원료로서 재순환되는 것인 수소 발생 방법. - 제1항에 있어서,
상기 수소 분리막이 팔라듐(Pd), 실리카(SiO2) 구리(Cu), 은(Ag) 또는 이들의 합금을 포함하는 멤브레인인 것인 수소 발생 방법. - 연료극, 공기극 및 전해질층 멤브레인을 구비하는 연료전지로서,
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 수소 발생 방법에 의해 얻어진 수소 및 산소가 상기 연료극 및 공기극으로 각각 공급되고,
상기 연료극은 수소를 공급받아 수소이온과 전자로 분해하며, 생성된 수소 이온은 상기 멤브레인을 거쳐 공기극으로 이동하며,
상기 전자는 외부 회로를 거쳐 전류를 발생시키며 공기극으로 이동하고,
상기 공기극에서 수소 이온과 전자, 그리고 산소가 결합하여 물이 생성되는 것인 연료전지. - 제8항에 있어서,
상기 연료전지가 인산형, 용융 탄산염형, 고체산화물형 또는 고분자전해질형인 것인 연료전지.
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