KR20180081279A - 역전기투석과 미생물 전기화학 시스템을 이용한 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치 - Google Patents

역전기투석과 미생물 전기화학 시스템을 이용한 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치 Download PDF

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Abstract

역전기투석과 미생물 전기화학 시스템을 이용한 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치가 제공된다. 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치는 바이오 애노드를 포함하는 바이오 애노드 챔버, 촉매가 코팅된 다수의 중공섬유 멤브레인 다발과 상기 중공섬유 멤브레인 표면에 부착 성장하는 미생물을 구비하고, 이산화탄소가 환원되어 탄화수소 연료를 생산하도록 하는 바이오 캐소드를 포함하는 바이오 캐소드 챔버, 상기 바이오 애노드 챔버와 바이오 캐소드 챔버 사이의 역전기투석 셀 스택, 상기 바이오 애노드 챔버에 유기물 용액을 공급하는 유기물 용액 공급부, 상기 바이오 애노드와 상기 바이오 캐소드를 연결하여 상기 바이오 애노드로부터 상기 바이오 캐소드로 전자가 이동하는 전기적 통로를 제공하는 도전성 도관(conductive conduit). 및 상기 바이오 애노드 챔버에서 발생한 이산화탄소를 포집해서 상기 바이오 캐소드 챔버의 상기 다수의 중공섬유 멤브레인 다발 내로 공급하는 이산화탄소 포집 및 공급부를 포함한다.

Description

역전기투석과 미생물 전기화학 시스템을 이용한 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치 {HYBRID HYDROCARBON MANUFACTURING SYSTEM USING MICROBIAL ELECTROCHEMICAL SYSTEM AND REVERSE ELECTRODIALYSIS}
본 기재는 탄화수소 연료 생산 장치에 관한 것으로 특히 역전기투석과 미생물 전기화학 시스템을 이용한 하이브리드 탄화수소 연료 생산 장치에 관한 것이다.
현대사회는 급증하는 에너지 수요와 화석연료의 단점을 극복하기 위해 온실가스 감축 등 지구환경보전을 위한 국제환경협약과 환경규제가 본격적으로 시행되고 있는 가운데, 친환경에너지 및 이산화탄소 저감 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
최근까지 이산화탄소를 포집해 쓰레기와 같이 지하에 매립하는 CCS(이산화탄소 포집 및 저장, Carbon Capture and Storage)에 관한 연구가 집중 받았으나 저장과 관련한 여러 가지 문제점들로 인해 기술이 테스트조차 되어보기 전에 브레이크가 걸릴 가능성이 높다. 이산화탄소 처리에 대한 새로운 접근 방식으로 CCU(Carbon Capture and Utilization)가 또는 CCSU가 주목받기 시작하고 있다. CCU는 비록 CCS처럼 한 번에 다량의 이산화탄소를 처리하기는 어렵지만 입지 조건에 대한 제약이 적고, 비용 발생이 아닌 수익 창출이 가능하고, 재활용을 통해 대체 화석 연료로 전환할 수 있다는 점에서 환경 문제 해결과 수익 창출의 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 대안으로 주목 받고 있다.
CCU의 방법으로 가장 널리 사용되는 다양한 금속 촉매와 전기에너지를 주입하는 전기화학적 이산화탄소 CCU의 경우 이산화탄소 환원을 위해서는 큰 과전압이 필요하며 이론값보다 더 음의 전위에서 환원이 일어나며 수소 발생과 경쟁을 하기 때문에 전환 효율이 낮다.
본 개시는 저 에너지를 소비하거나 나아가 에너지를 생성하면서 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환할 수 있는 역전기투석과 미생물 전기화학 시스템을 이용한 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치를 제공하고자 한다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치는 바이오 애노드를 포함하는 바이오 애노드 챔버, 촉매가 코팅된 다수의 중공섬유 멤브레인 다발과 상기 중공섬유 멤브레인 표면에 부착 성장하는 미생물을 구비하고, 이산화탄소가 환원되어 탄화수소 연료를 생산하도록 하는 바이오 캐소드를 포함하는 바이오 캐소드 챔버, 상기 바이오 애노드 챔버와 바이오 캐소드 챔버 사이의 역전기투석 셀 스택, 상기 바이오 애노드 챔버에 유기물 용액을 공급하는 유기물 용액 공급부, 상기 바이오 애노드와 상기 바이오 캐소드를 연결하여 상기 바이오 애노드로부터 상기 바이오 캐소드로 전자가 이동하는 전기적 통로를 제공하는 도전성 도관(conductive conduit) 및 상기 바이오 애노드 챔버에서 발생한 이산화탄소를 포집해서 상기 바이오 캐소드 챔버의 상기 다수의 중공섬유 멤브레인 다발 내로 공급하는 이산화탄소 포집 및 공급부를 포함한다.
일 실시예에 따른 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치는 바이오 애노드를 포함하는 바이오 애노드 챔버, 이산화탄소 환원 촉매가 코팅된 다수의 중공섬유 멤브레인 다발을 구비하고, 이산화탄소가 환원되어 탄화수소 연료를 생산하도록 하는 캐소드를 포함하는 캐소드 챔버, 상기 바이오 애노드 챔버와 캐소드 챔버 사이의 역전기투석 셀 스택, 상기 바이오 애노드 챔버에 유기물 용액을 공급하는 유기물 용액 공급부, 상기 바이오 애노드와 상기 캐소드를 연결하여 상기 바이오 애노드로부터 상기 캐소드로 전자가 이동하는 전기적 통로를 제공하는 도전성 도관(conductive conduit), 및 상기 바이오 애노드 챔버에서 발생한 이산화탄소를 포집해서 상기 바이오 캐소드 챔버의 상기 다수의 중공섬유 멤브레인 다발 내로 공급하는 이산화탄소 포집 및 공급부를 포함한다.
일 실시예에 따른 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치는 무생물적 애노드를 포함하는 무생물적 애노드 챔버, 촉매가 코팅된 다수의 중공섬유 멤브레인 다발과 상기 중공섬유 멤브레인 표면에 부착 성장하는 미생물을 구비하고, 이산화탄소가 환원되어 탄화수소 연료를 생산하도록 하는 바이오 캐소드를 포함하는 바이오 캐소드 챔버, 상기 무생물적 애노드 챔버와 바이오 캐소드 챔버 사이의 역전기투석 셀 스택, 상기 무생물적 애노드와 상기 바이오 캐소드를 연결하여 상기 무생물적 애노드로부터 상기 바이오 캐소드로 전자가 이동하는 전기적 통로를 제공하는 도전성 도관(conductive conduit), 및 상기 바이오 캐소드 챔버의 상기 다수의 중공섬유 멤브레인 다발 내로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부를 포함한다.
촉매가 코팅된 중공섬유 멤브레인 다발(bundle)을 적용하여 비표면적을 증가시키고 이산화탄소를 효율적으로 용존시켜주고 미생물 또는 효소에 효율적으로 균일하게 전달함으로써 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환시키는 효율을 증가시킬 수 있다.
역전기투석 셀 스택을 이용한 염분차 발전을 진행하여 전기에너지를 생산하여 이산화탄소의 환원에 필요한 에너지를 자체적으로 공급할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 역전기투석 시스템과 미생물 전기화학 시스템을 이용한 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치(100)의 개략도이고,
도 2는 다른 실시예에 따른 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치(200)의 개략도이고,
도 3은 또 다른 실시예에 따른 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치(300)의 개략도이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 역전기투석 시스템과 미생물 전기화학 시스템을 이용한 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치(100)는 서로 대향하는 바이오 애노드(112)와 바이오 캐소드(122) 사이에 역전기투석 셀 스택(140)이 설치되어 미생물 전기화학 시스템과 역전기투석 시스템이 하이브리드된 형태이다.
바이오 애노드(112)가 설치된 애노드 챔버(110)에서 미생물에 의한 유기물 분해가 일어나서 이산화탄소와 전자가 발생한다. 이렇게 발생된 전자는 바이오 애노드(112)와 외부 회로(170)를 거쳐서 바이오 캐소드(122)로 전달된다. 이산화탄소 또한 이산화탄소 포집 및 공급관(180)을 통해서 바이오 캐소드(122)로 전달된다. 바이오 캐소드(122)에서는 이산화탄소와 전자를 이용하여 탄화수소 연료를 생산하다.
구체적으로, 애노드 챔버(110)에는 애노드 용액 주입부(150)가 연결되어 있어서 애노드 챔버(110) 내로 애노드 용액을 공급한다. 애노드 용액은 유기물을 포함하는 유기성 용액일 수 있다. 유기성 용액은, 예를 들어, 혐기성 소화 유출액, 도시하수, 산업폐수, 산발효액 등일 수 있다. 애노드 용액 주입부(150)에는 센서(152)가 연결되어서 애노드 용액 내의 유기물의 농도를 모니터링할 수 있다.
바이오 애노드(112)는 그라파이트 파이버(graphite fiber), 탄소 펠트(carbon felt), 탄소 클로스(carbon cloth)를 포함하는 브러쉬(brush) 형태의 애노드(114)에 미생물(116)이 부착된 형태일 수 있다. 브러쉬 형태에 의해 보다 많은 수의 미생물(116)이 애노드(114) 상에 포함될 수 있고, 보다 많은 전자가 발생될 수 있다. 도면에서는 애노드(114)가 브러쉬 형태인 경우를 예시하였으나, 애노드(140)는 판형, 관형, 또는 선형 모두 가능하다. 또한, 탄소, 니켈, 크롬, 그래핀 등의 전도성 소재를 브러쉬, 메쉬(mesh), 폼(foam), 포일(foil) 등으로 형성한 다양한 재질과 다양한 형태의 애노드가 적용될 수 있다.
바이오 캐소드(122)는 촉매가 코팅된 다수의 중공섬유 멤브레인(hollow fiber membrane)(126)과 중공섬유 멤브레인(126) 표면에 부착 성장하는 미생물(128)을 포함할 수 있다.
애노드 챔버(110)에서 생성된 후 포집된 이산화탄소가 포집 및 공급관(180)을 통해 촉매가 코팅된 중공섬유 멤브레인(126) 내로 공급되면, 중공섬유 멤브레인(126)을 통해 확산된 이산화탄소가 표면의 미생물(128)이 이용하기 쉽게 고르게 분산되어 공급되므로 미생물 또는 효소(128)가 이산화탄소를 이용하는 효율을 증가시킬 수 있다.
기존의 평판형 캐소드에 비해 촉매가 코팅된 중공섬유 멤브레인(126)으로 이루어진 바이오 캐소드(122)는 미생물(128)이 부착성장하는 전극의 비표면적이 높아진다. 따라서 반응의 효율을 증가시킬 수 있다.
촉매(미도시)는 귀금속 촉매, 비 귀금속 촉매, 유기금속 촉매 물질을 사용할 수 있다. 또는 이들 촉매가 다양한 지지체에 분산된 촉매 구조체 등이 사용될 수 있다.
귀금속 촉매로는 Pt, Ru, Ir, Rh, Pd, Au, Ag, Re 등을 예로 들 수 있으며, 비 귀금속계 촉매로는 Fe, Co, Ni, Mn, Mo, Zn, V, Cr, Cu, Al, Ga, Ge, In, Sn, Sb 등을 들 수 있다. 유기금속 촉매로는 Fe계 유기금속, Co계 유기 금속, Ni계 유기 금속, Mn계 유기금속, Cu계 유기금속, Sn계 유기금속을 예로 들 수 있다. 이들 촉매 물질은 단독으로 사용될 수도 있지만 합금 형태로 사용될 수 있다. 예를 들면 귀금속계 2원 합금 촉매, 백금-전이금속계 2원 합금 촉매, 백금-유기금속계 2원 합금 촉매, 또는 다원 합금 촉매가 사용될 수 있다.
지지체로는 탄소계 지지체, 비탄소계 지지체 어느 것이라도 사용 가능하다. 탄소계 지지체로는 탄소구와 같은 0차원 지지체, 탄소나노튜브와 같은 1차원 지지체, 그라핀이나 N-도우프된 그라핀과 같은 2차원 지지체, 기타 흑연화 메조기공 탄소나노입자, 카본블랙, 금속-탄소쉘 입자, 산화금속-탄소쉘 입자와 같은 무정형 지지체, 그리고 상기 각 차원의 조합으로 구성된 3차원 지지체 등이 사용될 수 있다. 비탄소계 지지체로는 Al2O3 입자, SiO2 입자, CeO2 입자, SnO2 입자, ZnO 입자와 같은 금속산화물 입자, CaAl2O4 입자, MgAl2O4와 같은 스피넬(spinel) 구조형 입자, Si 입자, Zn 입자와 같은 금속입자 등이 사용될 수 있다. 지지체는 나노미터 크기의 입자들의 사용이 대표적일 수 있지만, 마이크론 크기 이상의 지지체도 촉매 코팅의 대상이 될 수 있다.
중공섬유 멤브레인(126)으로는 이산화탄소 선택 투과성이 있는 비다공성 박막의 단일막, 다공성 지지막과 이산화탄소 선택 투과성이 있는 비다공성 박막의 이중막, 이산화탄소 선택 투과성이 있는 비다공성 박막이 2개의 다공성 지지막에 샌드위치된 형태의 삼중막 등이 사용될 수 있다.
이산화탄소 선택 투과성이 있는 비다공성 박막은 폴리디메틸실록산 등으로 형성될 수 있다. 미생물(128)은 아래 표 1과 같은 다양한 형태의 미생물의 일종 또는 혼합종이 사용되어 원하는 탄화수소 연료를 생산할 수 있다. 아래 표 1은 사용될 수 있는 미생물(128)의 예시이며 이 중 캐소드로부터 전자를 수용하며 CO2 전환이 가능한 미생물을 사용할 수 있으며 이 외에도 이산화탄소 전환 가능한 전기화학활성을 가진 미생물이라면 어느 미생물이라도 사용 가능하다.
탄화수소 연료 화학물질 미생물 종
바이오 플라스틱 폴리-3-하이드록시뷰티르산
(Poly-3-hydroxybutyric acid)		 프로테오박테리아
(Proteobacteria)		 Ralstonia eutropha
폴리-3-하이드록시뷰티르산
 프로테오박테리아
 Ideonella sp. O-1
폴리-3-하이드록시뷰티르산 조류(algae) Phaeodactylum tricomutum
바이오 알코올 에탄올 프로테오박테리아
 Rhodobacter sphaeroides
Rhodobacter capsulatus
에탄올 남세균(Cyanobacteria) Synechococcus elongates PCC 7942
이소프로판올 남세균 Synechococcus elongates PCC 7942
이소부탄올, 이소뷰티르알데히드 남세균 Synechococcus elongates PCC 7942
n-부탄올 남세균 Synechococcus elongates PCC 7942
바이오 디젤 지질(Lipids) 조류 Nannochloropsis oculata
지질 조류 Chlorella vulgaris
기타 다당류(polysaccharide) 조류 Poryphyridium aerugineum
메틸 케톤(methyl ketone) 프로테오박테리아 Ralstonia eutropha
이소프렌(isoprene) 남세균 Synechocystis sp. PCC 6803
세스퀴테르펜(sesqiterpene),
β-카리오필렌(caryophyllene) 		남세균 Synechocystis sp. PCC 6803
살리실산(salicylic acid) 이스트 Trichosporon moniliiforme
효소로는 탄산무수화효소 등이 적용될 수 있다.
캐소드 용액 공급부(160)을 통해서 캐소드 챔버(120) 내로 캐소드 용액이 공급된다. 캐소드 용액으로는 미생물의 성장에 필요한 영양염류, 미네랄, 완충용액 등의 혼합액을 사용할 수 있다.
애노드 챔버(110)로부터 전달되는 CO2의 함량이 부족할 경우에는 추가 이산화탄소 공급부(185)를 더 설치하여 바이오 캐소드(122)에 이산화탄소를 추가적으로 공급할 수 있다.
이산화탄소 공급부(185)는 이산화탄소를 비활성 가스와 혼합된 형태로 가스상으로 압력을 조절하여 다수의 중공섬유 멤브레인(126) 내로 공급한다. 이산화탄소는 중공섬유 멤브레인(126)을 통해서 캐소드 챔버 방향으로 확산되며 미생물 또는 효소(128)로 전달된다.
본 실시예에 따른 하이브리드 탄화수소 연료 생산 장치에서는 이산화탄소의 환원반응을 미생물 또는 효소를 이용한 생물학적 방법(biotic)으로 진행하기 때문에 화학적 방법과 달리 큰 과전압을 필요로 하지 않는다.
또한, 바이오 캐소드(122)로 촉매가 코팅된 중공섬유 멤브레인(126) 다발(bundle)을 적용하여 비표면적을 증가시키고 이산화탄소를 효율적으로 용존시켜주고 미생물 또는 효소(128)에 효율적으로 균일하게 전달함으로써 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환시키는 효율을 증가시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치(100)는 바이오 애노드 챔버(110)와 바이오 캐소드 챔버(120) 사이에는 역전기투석 셀 스택(140)을 배치하여 염분차 발전을 진행하여 전기에너지를 생산하여 이산화탄소의 환원에 필요한 에너지를 자체적으로 공급한다.
역전기투석 셀 스택(140)은 복수의 유로(CH1, CH2)를 사이에 두고 교대로 배치된 하나 이상의 양이온 교환막(cation exchange membrane, CEM)(142)과 하나 이상의 음이온 교환막(anion exchange membrane, AEM)(144)을 포함한다. 이웃한 두 개의 단위 셀(unit cell)은 양이온 교환막(142)과 음이온 교환막(144)을 공유한다.
복수의 유로(CH1, CH2)는 고농도 전해질 용액 유로(CH1)와 저농도 전해질 용액 유로(CH2)로 구분되며, 고농도 전해질 용액 유로(CH1)와 저농도 전해질 용액 유로(CH2)는 하나씩 교대로 배열된다. 복수의 고농도 전해질 용액 유로(CH1)에 고농도 전해질 용액(HC)이 공급되고, 복수의 저농도 전해질 용액 유로(CH2)에 저농도 전해질 용액(LC)이 공급된다. 도 1에서는 고농도 전해질 용액(HC)의 흐름 방향과 저농도 전해질 용액(LC)의 흐름 방향은 서로 반대 방향인 경우를 예시하고 있다. 그러나 고농도 전해질 용액(HC)의 흐름 방향과 저농도 전해질 용액(LC)의 흐름 방향은 동일 방향일 수도 있다.
일반적으로 '염수(해수)'란 염 농도가 35,000 mg/L 이상을 가지는 용액을 지칭하며 '담수'란 염 농도가 0~1,000 mg/L 를 가지는 용액을 지칭한다. 따라서 고농도 전해질 용액(HC)으로는 염수를 저농도 전해질 용액(LC)으로는 담수를 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며 상대적인 이온 농도차로 인하여 양이온과 음이온의 교환이 일어날 수 있도록 하는 물질의 조합이라면 어느 것이라도 적용 가능하다. 한편, 고농도 전해질 용액 유로(CH1)와 저농도 전해질 용액 유로(CH2)에는 스페이서(미도시)가 삽입될 수 있다. 스페이서는 양이온 교환막(142)과 음이온 교환막(144) 사이의 간격을 일정하게 기계적으로 유지하도록 하고 공급되는 용액의 난류 등을 일으켜 유로(CH1, CH2) 전 영역에 걸쳐 용액이 잘 공급되도록 하기 위해 삽입될 수 있다. 따라서 스페이서는 기공율이 큰 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 스페이서는 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌으로 이루어진 망체로 구성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 예시로서 다섯개의 셀을 포함하는 역전기투석 스택 셀(140)을 예시하고 있다. 고농도 전해질 용액(HC)과 저농도 전해질 용액(LC)이 각각의 유로(CH1, CH2)로 공급되면, 해리된 양이온(C+)과 음이온(A-)이 각각 양이온 교환막(142) 또는 음이온 교환막(144)을 통해 이동하고, 이로 인해 각 양이온 교환막(142)과 음이온 교환막(144)이 각각 음(+)와 양(-) 전하를 띠며 전압이 생기된 된다. 따라서, 역전기투석 셀 스택(140)에서는 일정한 전압차(V)이 발생하게 된다. 한편, 애노드 챔버(110)에서 산화반응이 일어나 전자가 생성되고 생성된 전자가 바이오 애노드(112)를 통해 바이오 캐소드(122)로 이동하고 바이오 캐소드(122)에서 환원반응이 일어나면서 전자를 흡수하여 전자를 흐름이 생겨 전류(I)가 발생한다. 이론적으로 이 전류(I)의 크기와 셀 스택(140)에 의해 발생한 전압차(V)를 곱한 값이 바로 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치(100)에 생산하는 전력의 크기가 된다. 따라서, 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치(100)에서는 전력을 생산하여 이산화탄소를 탄화수소 연료로 전환하는데 필요한 에너지로 사용할 수 있다.
도 1에 예시되어 있는 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치(100)에서는 애노드 챔버(110)에서 유기물 분해, 예를 들면 폐수 처리가 가능하며 동시에 폐수 처리에서 발생하는 이산화탄소를 포집하여 캐소드 챔버(120)에서 탄화수소 연료로 전환시키기 때문에 진정한 의미의 CCU 기술이 될 수 있다.
촉매가 코팅된 중공섬유 멤브레인(126)과 그 표면의 미생물(128)로 이루어진 바이오 캐소드(122)를 사용하기 때문에 미생물(128)이 이산화탄소를 쉽게 이용할 수 있도록 하고 반응의 비표면적으로 높일 수 있기 때문에 이산화탄소 전환 효율을 높일 수 있다.
또한, 역전기투석 스택과 미생물 전기화학 시스템을 하이브리드하여 전기를 생산하여 이를 이산화탄소의 환원 에너지로 사용하기 때문에 저 에너지를 소비하거나 나아가 에너지를 생산하면서 탄화수소 연료를 생산할 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치(200)의 개략도이다. 도 2에 도시된 탄화수소 연료 생산 장치에서는 바이오 애노드가 아니라 무생물적(abiotic) 애노드(212)를 적용한 점에 있어서 도 1에 예시되어 있는 실시예와 차이가 있다.
도 2를 참조하면, 도 1과 달리 애노드가 바이오 애노드가 아니라 무생물적 애노드(212)가 사용된다. 따라서, 애노드 용액 주입부(150)에서는 애노드 챔버(120)로 유기물 용액이 아니라 NaCl 수용액과 같은 염용액이나 다양한 버퍼 용액이 주입될 수 있다. 역전기투석 셀 스택(140)에서 단위 셀(unit cell) 수가 많아질수록 셀 전압이 높아지므로, 전극 용액으로 수용액을 사용할 수 있다. 셀 전압이 대략 1.2V 이상이 되면 무생물적 애노드(212)에서 물의 산화 반응에 의해 산소 및 전자가 발생할 수 있다. 이렇게 생성된 전자가 바이오 캐소드(122)로 전달되어 전류의 흐름을 발생시키고 바이오 캐소드(122)에서 이산화탄소의 환원 반응이 일어나도록 한다.
도 1의 일 실시예와 달리 애노드 챔버(110)에서 유기물의 산화에 의해 발생하는 이산화탄소의 공급이 없기 때문에 이산화탄소 공급부(185)에서의 이산화탄소 공급량이 변동될 수 있다. 또한 애노드 챔버(110)에서 발생하는 산소를 포집하기 위한 산소 포집 장치(190)를 더 포함할 수 있다. 기타 구성요소는 도 1과 유사하므로 그 설명을 생략한다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치(300)의 개략도이다. 도 3에 도시된 탄화수소 연료 생산 장치에서는 바이오 캐소드가 아니라 무생물적(abiotic) 캐소드(322)를 적용한 점에 있어서 도 1에 예시되어 있는 실시예와 차이가 있다.
도 3을 참조하면, 중공섬유 멤브레인(126)에 이산화탄소를 탄화수소 연료로 환원시키는 환원 촉매(328)가 부착된 무생물적 캐소드(322)가 적용된다.
환원 촉매(328)는 환원 생성물의 종류에 따라 다양하게 선택할 수 있다. 예를 들면, 개미산(formic acid)을 생성하고자 할 경우에는 In, Sn, Hg, Pd 등이 사용될 수 있으며, 일산화탄소를 생성하고자 할 경우에는 Zn, Au, Ag 등이 사용될 수 있으며, 알데히드, 알코올 등을 생성하고자 할 경우에는 Cu 등이 사용될 수 있다.
비록 도 1에 도시되어 있는 미생물(128)이 없기는 하나 역전기투석 스택(140)에서 발생하는 전기 에너지를 공급하여 환원 반응이 원활하게 일어나도록 할 수 있다. 기타 구성요소는 도 1과 유사하므로 그 설명을 생략한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 바이오 애노드를 포함하는 바이오 애노드 챔버;
    촉매가 코팅된 다수의 중공섬유 멤브레인 다발과 상기 중공섬유 멤브레인 표면에 부착 성장하는 미생물을 구비하고, 이산화탄소가 환원되어 탄화수소 연료를 생산하도록 하는 바이오 캐소드를 포함하는 바이오 캐소드 챔버;
    상기 바이오 애노드 챔버와 바이오 캐소드 챔버 사이의 역전기투석 셀 스택;
    상기 바이오 애노드 챔버에 유기물 용액을 공급하는 유기물 용액 공급부;
    상기 바이오 애노드와 상기 바이오 캐소드를 연결하여 상기 바이오 애노드로부터 상기 바이오 캐소드로 전자가 이동하는 전기적 통로를 제공하는 도전성 도관(conductive conduit); 및
    상기 바이오 애노드 챔버에서 발생한 이산화탄소를 포집해서 상기 바이오 캐소드 챔버의 상기 다수의 중공섬유 멤브레인 다발 내로 공급하는 이산화탄소 포집 및 공급부를 포함하는 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치.
  2. 바이오 애노드를 포함하는 바이오 애노드 챔버;
    이산화탄소 환원 촉매가 코팅된 다수의 중공섬유 멤브레인 다발을 구비하고, 이산화탄소가 환원되어 탄화수소 연료를 생산하도록 하는 캐소드를 포함하는 캐소드 챔버;
    상기 바이오 애노드 챔버와 캐소드 챔버 사이의 역전기투석 셀 스택;
    상기 바이오 애노드 챔버에 유기물 용액을 공급하는 유기물 용액 공급부;
    상기 바이오 애노드와 상기 캐소드를 연결하여 상기 바이오 애노드로부터 상기 캐소드로 전자가 이동하는 전기적 통로를 제공하는 도전성 도관(conductive conduit); 및
    상기 바이오 애노드 챔버에서 발생한 이산화탄소를 포집해서 상기 바이오 캐소드 챔버의 상기 다수의 중공섬유 멤브레인 다발 내로 공급하는 이산화탄소 포집 및 공급부를 포함하는 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치.
  3. 무생물적 애노드를 포함하는 무생물적 애노드 챔버;
    촉매가 코팅된 다수의 중공섬유 멤브레인 다발과 상기 중공섬유 멤브레인 표면에 부착 성장하는 미생물을 구비하고, 이산화탄소가 환원되어 탄화수소 연료를 생산하도록 하는 바이오 캐소드를 포함하는 바이오 캐소드 챔버;
    상기 무생물적 애노드 챔버와 바이오 캐소드 챔버 사이의 역전기투석 셀 스택;
    상기 무생물적 애노드와 상기 바이오 캐소드를 연결하여 상기 무생물적 애노드로부터 상기 바이오 캐소드로 전자가 이동하는 전기적 통로를 제공하는 도전성 도관(conductive conduit); 및
    상기 바이오 캐소드 챔버의 상기 다수의 중공섬유 멤브레인 다발 내로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부를 포함하는 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중공섬유 멤브레인은 이산화탄소 선택 투과성이 있는 비다공성 박막을 포함하는 단일막, 이중막, 또는 삼중막인 하이브리드형 탄화수소 연료 생산 장치.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 바이오 캐소드 챔버의 상기 다수의 중공섬유 멤브레인 내로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부를 더 포함하는 탄화수소 연료 생산 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 공급부는 이산화탄소를 비활성 가스와 혼합된 형태로 상기 다수의 중공섬유 멤브레인 내로 공급하는 탄화수소 연료 생산 장치.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 환원 촉매는 In, Sn, Hg, Pd, Zn, Au, Ag, Cu 또는 이들의 혼합물인 탄화수소 연료 생산 장치.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11502323B1 (en) 2022-05-09 2022-11-15 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell and methods of use thereof
US11502322B1 (en) 2022-05-09 2022-11-15 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell with heat pump
US11855324B1 (en) 2022-11-15 2023-12-26 Rahul S. Nana Reverse electrodialysis or pressure-retarded osmosis cell with heat pump

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003282124A (ja) * 2002-03-22 2003-10-03 Hitachi Ltd 燃料電池
US20120292187A1 (en) * 2011-05-17 2012-11-22 The Penn State Research Foundation Reverse electrodialysis supported microbial fuel cells and microbial electrolysis cells
JP2014093200A (ja) * 2012-11-02 2014-05-19 Stanley Electric Co Ltd 微生物燃料電池
JP2014205878A (ja) * 2013-04-12 2014-10-30 株式会社日立製作所 カソード電極およびそれを用いた電解装置
JP2016531391A (ja) * 2013-07-31 2016-10-06 アクアハイドレックス プロプライエタリー リミテッドＡｑｕａｈｙｄｒｅｘ Ｐｔｙ Ｌｔｄ モジュール式電気化学セル

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003282124A (ja) * 2002-03-22 2003-10-03 Hitachi Ltd 燃料電池
US20120292187A1 (en) * 2011-05-17 2012-11-22 The Penn State Research Foundation Reverse electrodialysis supported microbial fuel cells and microbial electrolysis cells
JP2014093200A (ja) * 2012-11-02 2014-05-19 Stanley Electric Co Ltd 微生物燃料電池
JP2014205878A (ja) * 2013-04-12 2014-10-30 株式会社日立製作所 カソード電極およびそれを用いた電解装置
JP2016531391A (ja) * 2013-07-31 2016-10-06 アクアハイドレックス プロプライエタリー リミテッドＡｑｕａｈｙｄｒｅｘ Ｐｔｙ Ｌｔｄ モジュール式電気化学セル

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11502323B1 (en) 2022-05-09 2022-11-15 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell and methods of use thereof
US11502322B1 (en) 2022-05-09 2022-11-15 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell with heat pump
US11563229B1 (en) 2022-05-09 2023-01-24 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell with heat pump
US11611099B1 (en) 2022-05-09 2023-03-21 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell and methods of use thereof
US11699803B1 (en) 2022-05-09 2023-07-11 Rahul S Nana Reverse electrodialysis cell with heat pump
US11855324B1 (en) 2022-11-15 2023-12-26 Rahul S. Nana Reverse electrodialysis or pressure-retarded osmosis cell with heat pump

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