KR20220134166A - 메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치, 이를 이용한 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법 및 수소 생산 장치 - Google Patents

메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치, 이를 이용한 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법 및 수소 생산 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물의 혼합이 없는 순수 메탄올을 전기화학적으로 분해하여 수소를 얻을 수 있는 메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치, 이를 이용한 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법 및 수소 생산 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 하기 수소생성 전기화학분해 반응장치부를 메탄올 용액이 통과하도록 메탄올 용액을 공급하는 메탄올 공급 단계; 상기 메탄올 공급 단계에서 제공받은 메탄올 용액을 3전극 구조의 수소생성 전기화학분해 반응장치부에서 전기분해하여 수소를 생성하는 수소 생성 단계; 및 상기 수소 생성 단계에서 생성되는 수소 및 수소와 함께 생성되는 반응잔여물의 혼합가스를 저장하거나, 혼합가스의 수소와 반응잔여물을 각각 분리 저장하거나 또는 공급 대상으로 공급하는 저장 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법이 제공된다.

Description

메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치, 이를 이용한 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법 및 수소 생산 장치 {ELECTROCHEMICAL SPLITTING DEVICE FOR PRODUCTING HYDROGEN BASED ON METHANOL, HYDROGEN PRODUCTION METHOD AND HYDROGEN PRODUCTION APPARATUS THROUGH ELECTROCHEMICAL SPLITTING PURE METHANOL USING THE SAME}
본 발명은 메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치, 이를 이용한 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법 및 수소 생산 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 물의 혼합이 없는 순수 메탄올을 전기화학적으로 분해하여 수소를 얻을 수 있으며, 특히 기존의 대표적인 수소 생산법인 물 분해를 위한 전압보다 낮은 전압에서 수소를 생산할 수 있어 수소 생산에 있어서의 필요 비용을 현저히 절감하면서도 수소를 효율적으로 생산할 수 있는, 메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치, 이를 이용한 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법 및 수소 생산 장치에 관한 것이다.
인류는 화석연료의 고갈 가능성과 온실가스, 지구 온난화 등의 환경문제로 인해 대체 에너지원 연구 및 확보에 노력을 기울이고 있다.
자동차, 발전소, 소형전자기기 배터리에 주로 사용되고 있는 연료전지는 차세대 에너지원으로 연구 개발 및 다양한 실용화에 접근하고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 화학 반응으로 전기에너지를 얻고 부산물로 환경적 문제가 없는 물이 생성된다. 이 과정에서 수소의 공급은 연료전지가 구동되기 위한 가장 중요한 역할을 한다.
메탄올은 수소전환효율, 소형화, 저온 반응, 안전성, 운반 및 저장이 용이하다는 장점이 있어 연료전지 수소 공급체로 연구 및 개발되고 있다. 자동차에 사용되는 연료전지는 주로 직접 수소 충전방식을 채택하고 있으나, 개질기를 탑재하는 연료전지는 메탄올이 연료로 사용되고 있다. 메탄올이 연료로 사용되어 개질반응으로 얻어지는 수소와 연료전지를 결합한 형태가 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)이며 연료의 공급이 안전하다는 장점이 있다.
직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)의 원리는 일반적으로 메탄올 흡착, 메탄올 분해 및 수소화, 물의 제거, 일산화탄소의 제거로 이루어진다. 메탄올은 Pt 계열의 귀금속 촉매를 이용하여 전기화학적 반응에 의해 산화되어 이산화탄소, 수소이온, 그리고 전자가 발생한다. 생성된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 음극(Cathode)으로 이동하여 산소와 수소 이온 그리고 전자가 반응하여 물이 생성되고 전자가 이동하면서 전기 에너지로 변환된다. 반응 과정 중 일산화탄소가 촉매독으로 작용되어 DMFC 성능을 떨어뜨리게 되므로 반드시 제거 되어야 한다. 이와 같이 DMFC는 수소제조를 위한 복잡한 장치가 필요하지 않고 저장과 운반이 용이하며 충분한 에너지 밀도를 가져 장시간 사용이 가능하다.
그러나 메탄올을 이용해 수소를 생성하려면 높은 온도(200℃ 이상) 및 고압( 25 ~ 50 bar)이 필요하며, 루테늄 착화체에 의해 반응이 촉진되므로 비용이 비싸고 효율이 낮은 단점이 있다. 현재 이러한 고비용 촉매의 단점을 보완하는 Pt/Al2O3 기반의 촉매와 Cu/Zn/Al2O3 촉매계도 개발 중에 있으며 귀금속 및 비-귀금속을 포함한 새로운 촉매의 개발이 시급한 실정이다.
그리고 DMFC 내부의 전기적 저항으로 낮은 효율의 원인이 되는 이온교환막(멤브레인)의 문제를 해결하기 위한 연구도 진행 중이다. 즉, DMFC를 이용하는 경우 고온/고압과 고비용의 촉매를 이용해야만 메탄올 개질반응을 이용한 수소를 제조할 수 있어, 수소의 상업용 생산은 극히 제한적인 수준이다.
대한민국 공개특허공보 10-2017-0049467(2017.05.10. 공개) 대한민국 등록특허공보 10-0728720(2007.06.14. 공고) 대한민국 등록특허공보 10-1823155(2018.01.29. 공고) 대한민국 등록특허공보 10-1726983(2017.04.13. 공고)
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 물의 혼합이 없는 순수 메탄올만을 전기화학적으로 분해하여 수소를 얻을 수 있는 메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치, 이를 이용한 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법 및 수소 생산 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 특정 전극 구조를 갖는 전기 분해 장치를 통해 전기분해하여 수소를 얻음으로써 기존의 대표적인 수소 생산법인 물 분해를 위한 전압보다 낮은 전압에서 수소를 생산할 수 있어 수소 생산에 있어서의 필요 비용을 현저히 절감할 수 있어 뛰어난 경제성을 갖는, 메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치, 이를 이용한 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법 및 수소 생산 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따르면, 하기 수소생성 전기화학분해 반응장치부를 메탄올 용액이 통과하도록 메탄올 용액을 공급하는 메탄올 공급 단계; 상기 메탄올 공급 단계에서 제공받은 메탄올 용액을 3전극 구조의 수소생성 전기화학분해 반응장치부에서 전기분해하여 수소를 생성하는 수소 생성 단계; 및 상기 수소 생성 단계에서 생성되는 수소 및 수소와 함께 생성되는 반응잔여물의 혼합가스를 저장하거나, 혼합가스의 수소와 반응잔여물을 각각 분리 저장하거나 또는 공급 대상으로 공급하는 저장 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법이 제공된다.
본 발명의 제1 관점에 있어서, 상기 메탄올 공급 단계의 메탄올 용액은 수순 메탄올 용액이거나, 순수 메탄올에 KOH가 첨가된 메탄올 용액인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제1 관점에 있어서, 상기 수소 생성 단계는, 상기 메탄올 공급 단계에서 공급되는 메탄올 용액이 수소생성 전기화학분해 반응장치부에서 상향류의 흐름을 형성하면서 전기화학 분해로 수소를 생성하도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 따르면, 메탄올 용액을 하기 수소생성 전기화학분해 반응장치부에 공하고 배출시키도록 구성되는 메탄올 공급 장치부; 상기 메탄올 공급 장치부에서 공급되는 메탄올 용액을 제공받아 전기화학 분해하여 수소를 생성하는 수소생성 전기화학분해 반응장치부; 및 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부에서 생성되는 수소를 포함하는 혼합가스를 저장하는 저장부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치가 제공된다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 메탄올 공급 장치부는, 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 입구 측에 구비되는 공급 펌프 또는 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 출구 측에 구비되는 석션 펌프로 구성되며, 상기 저장부는 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부로부터의 수소와 일산화탄소의 혼합가스를 저장할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 메탄올 공급 장치부는, 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 입구 측에 구비되는 공급 펌프 또는 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 출구 측에 구비되는 석션 펌프로 구성되며, 상기 저장부는, 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부로부터의 수소와 일산화탄소의 혼합가스가 배출되는 배출 라인 상에 구비되는 수소-일산화탄소 분리 장치에 의해 분리된 수소와 일산화탄소를 각각 저장하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 배출 라인 상에 구비되어 합성가스 및 이 합성가스와 함께 배출되는 메탄올 용액을 분리하는 기액 분리 장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 메탄올 공급 장치부에서 공급되는 메탄올 용액은 수순 메탄올 용액이거나, 순수 메탄올에 KOH가 첨가된 메탄올 용액인 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부는, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하며, 전기화학적 반응이 일어나는 반응 공간을 제공하도록 구성되는 기준 전극 모듈; 상기 기준 전극 모듈의 일측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하게 구성되는 상대 전극 부재; 상기 기준 전극 모듈의 타측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하게 구성되는 작업 전극 부재; 상기 상대 전극 부재의 일측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 가능하게 구성되는 유입측 결합 커버 모듈; 상기 작업 전극 부재의 타측에 구비되며, 메탄올 용액이 배출 가능하게 구성되는 배출측 결합 커버 모듈; 상기 기준 전극 모듈과 상대 전극 부재 사이, 상기 기준 전극 모듈과 작업 전극 부재 사이, 상기 상대 전극 부재와 유입측 결합 커버 모듈 사이, 및 상기 작업 전극 부재와 배출측 결합 커버 모듈 사이에 구비되어 이들 사이를 기밀하게 밀봉하는 가스켓 부재; 및 상기 기준 전극 모듈, 상대 전극 부재, 작업 전극 부재, 유입측과 배출측 결합 커버 모듈, 및 가스켓 부재를 밀착 고정시키는 고정 수단;을 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 기준 전극 모듈은, 중앙에 개방부가 형성되고, 상부와 하부 각각에 복수의 출입구멍이 형성되며, 상기 개방부와 복수의 출입구멍 사이에 유동홈이 형성되는 절연성 재질의 중앙 반응판; 상기 중앙 반응판의 양측에 각각 구비되며, 메탄올 용액이 유동가능하게 형성되는 절연성 재질의 한 쌍의 측면 반응판; 및 일단부는 기준 전극 모듈의 외측으로 노출되며, 타단부는 중앙 반응판의 개방부 측에 위치되게 장착되는 은-염화은(Ag/AgCl) 기준 전극;을 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 기준 전극 모듈은, 측벽에 각각 개방부를 갖고 형성되는 절연성 재질의 함체형의 중앙 하우징; 상기 중앙 하우징의 양측에 각각 구비되며, 메탄올 용액이 유동가능하게 형성되는 절연성 재질의 한 쌍의 측면 반응판; 및 일단부는 기준 전극 모듈의 외측으로 노출되며, 타단부는 상기 중앙 중앙부의 공간 측에 위치되게 장착되는 은-염화은(Ag/AgCl) 기준 전극;을 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 한 쌍의 측면 반응판은 상기 중앙 반응판의 개방부의 사이즈에 상응하는 메쉬부가 형성될 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 상대 전극 부재는 백금(Pt) 상대 전극으로 형성되는 판상의 전극부, 및 상기 전극부의 상부와 하부 각각에 형성되며, 복수의 출입구멍을 갖는 절연성 재질의 유동 제공부를 포함하고, 상기 작업 전극 부재는 구리(Cu) 작업 전극으로 형성되는 판상의 전극부, 및 상기 전극부의 상부와 하부 각각에 형성되며, 복수의 출입구멍을 갖는 절연성 재질의 유동 제공부를 포함하며, 상기 상대 전극 부재와 작업 전극 부재 각각의 전극부는 외부로 노출되어 전원공급장치와 연결되는 접속 돌출부가 형성될 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 유입측 결합 커버 모듈은, 메탄올 용액이 투입되는 투입구가 하부 일측에 돌출 형성되는 엔드 프레임 부재, 및 상기 엔드 프레임 부재의 투입구가 관통하여 외측으로 노출되는 관통 구멍이 형성되며, 상기 엔드 프레임 부재의 일측에 구비되는 엔드 커버 부재를 포함하며, 상기 배출측 결합 커버 모듈은 모듈 메탄올 용액이 배출되는 배출구가 상부 일측에 돌출 형성되는 엔드 프레임 부재, 및 상기 엔드 프레임 부재의 배출구가 관통하여 외측으로 노출되는 관통 구멍이 형성되며, 상기 엔드 프레임 부재의 타측에 구비되는 엔드 커버 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 관점에 있어서, 상기 상대 전극 부재와 작업 전극 부재가 각각 대향하는 면인 상기 엔드 프레임 부재 각각의 면에는 하기 전극의 형상에 상응하는 형상의 안착홈이 형성되고, 상기 상대 전극 부재는 상기 유입측 결합 커버 모듈의 엔드 프레임 부재의 안착홈에 안착되는 백금(Pt) 상대 전극으로 구성되며, 상기 작업 전극 부재는 상기 배출측 결합 커버 모듈의 엔드 프레임 부재의 안착홈에 안착되는 구리(Cu) 작업 전극으로 구성될 수 있다.
본 발명의 제3 관점에 따르면, 메탄올 용액을 전기화학분해하여 수소를 생성하기 위한 수소생성 전기화학분해 반응장치로서, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하며, 전기화학적 반응이 일어나는 반응 공간을 제공하도록 구성되는 기준 전극 모듈; 상기 기준 전극 모듈의 일측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하게 구성되는 상대 전극 부재; 상기 기준 전극 모듈의 타측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하게 구성되는 작업 전극 부재; 상기 상대 전극 부재의 일측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 가능하게 구성되는 유입측 결합 커버 모듈; 상기 작업 전극 부재의 타측에 구비되며, 메탄올 용액이 배출 가능하게 구성되는 배출측 결합 커버 모듈; 상기 기준 전극 모듈과 상대 전극 부재 사이, 상기 기준 전극 모듈과 작업 전극 부재 사이, 상기 상대 전극 부재와 유입측 결합 커버 모듈 사이, 및 상기 작업 전극 부재와 배출측 결합 커버 모듈 사이에 구비되어 이들 사이를 기밀하게 밀봉하는 가스켓 부재; 및 상기 기준 전극 모듈, 상대 전극 부재, 작업 전극 부재, 유입측과 배출측 결합 커버 모듈, 및 가스켓 부재를 밀착 고정시키는 고정 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치가 제공된다.
본 발명의 제3 관점에 있어서, 상기 기준 전극 모듈은, 중앙에 개방부가 형성되고, 상부와 하부 각각에 복수의 출입구멍이 형성되며, 상기 개방부와 복수의 출입구멍 사이에 유동홈이 형성되는 절연성 재질의 중앙 반응판; 상기 중앙 반응판의 양측에 각각 구비되며, 메탄올 용액이 유동가능하게 형성되는 절연성 재질의 한 쌍의 측면 반응판; 및 일단부는 기준 전극 모듈의 외측으로 노출되며, 타단부는 중앙 반응판의 개방부 측에 위치되게 장착되는 은-염화은(Ag/AgCl) 기준 전극;을 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 관점에 있어서, 상기 기준 전극 모듈은, 측벽에 각각 개방부를 갖고 형성되는 절연성 재질의 함체형의 중앙 하우징; 상기 중앙 하우징의 양측에 각각 구비되며, 메탄올 용액이 유동가능하게 형성되는 절연성 재질의 한 쌍의 측면 반응판; 및 일단부는 기준 전극 모듈의 외측으로 노출되며, 타단부는 상기 중앙 중앙부의 공간 측에 위치되게 장착되는 은-염화은(Ag/AgCl) 기준 전극;을 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 관점에 있어서, 상기 한 쌍의 측면 반응판은 상기 중앙 반응판의 개방부의 사이즈에 상응하는 메쉬부가 형성될 수 있다.
본 발명의 제3 관점에 있어서, 상기 상대 전극 부재는 백금(Pt) 상대 전극으로 형성되는 판상의 전극부, 및 상기 전극부의 상부와 하부 각각에 형성되며, 복수의 출입구멍을 갖는 절연성 재질의 유동 제공부를 포함하고, 상기 작업 전극 부재는 구리(Cu) 작업 전극으로 형성되는 판상의 전극부, 및 상기 전극부의 상부와 하부 각각에 형성되며, 복수의 출입구멍을 갖는 절연성 재질의 유동 제공부를 포함하며, 상기 상대 전극 부재와 작업 전극 부재 각각의 전극부는 외부로 노출되어 전원공급장치와 연결되는 접속 돌출부가 형성될 수 있다.
본 발명의 제3 관점에 있어서, 상기 유입측 결합 커버 모듈은, 메탄올 용액이 투입되는 투입구가 하부 일측에 돌출 형성되는 엔드 프레임 부재, 및 상기 엔드 프레임 부재의 투입구가 관통하여 외측으로 노출되는 관통 구멍이 형성되며, 상기 엔드 프레임 부재의 일측에 구비되는 엔드 커버 부재를 포함하며, 상기 배출측 결합 커버 모듈은 모듈 메탄올 용액이 배출되는 배출구가 상부 일측에 돌출 형성되는 엔드 프레임 부재, 및 상기 엔드 프레임 부재의 배출구가 관통하여 외측으로 노출되는 관통 구멍이 형성되며, 상기 엔드 프레임 부재의 타측에 구비되는 엔드 커버 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 관점에 있어서, 상기 상대 전극 부재와 작업 전극 부재가 각각 대향하는 면인 상기 엔드 프레임 부재 각각의 면에는 하기 전극의 형상에 상응하는 형상의 안착홈이 형성되고, 상기 상대 전극 부재는 상기 유입측 결합 커버 모듈의 엔드 프레임 부재의 안착홈에 안착되는 백금(Pt) 상대 전극으로 구성되며, 상기 작업 전극 부재는 상기 배출측 결합 커버 모듈의 엔드 프레임 부재의 안착홈에 안착되는 구리(Cu) 작업 전극으로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치, 이를 이용한 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법 및 수소 생산 장치에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명은 기존의 수소 생산법인 물의 전기분해와 화석연료의 개질 및 분해가 아닌 순수 메탄올로 수소를 생산할 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 기존의 수소 생산법인 물의 전기분해에서 수소를 얻는데 필요로 되는 전압보다 현저히 낮은 전압으로 수소를 생산할 수 있어 뛰어난 경제성을 갖는 효과가 있다.
셋째, 본 발명은 수소 생산을 위해 이용되는 전기 분해 장치가 상대적으로 콤팩트하게 구성되어 적용 대상에 대한 설계 자유도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
넷째, 본 발명은 생성되는 수소를 에너지원으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 수소와 함께 생성되는 잔여물인 C 화합물(CO) 또한 에너지원으로 사용가능하여 신재생에너지 분야에 활용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치의 구성을 블록화하여 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 구성을 분리 전개하여 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 정면도(A) 및 측면도(B)이다.
도 6은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 기준 전극 모듈의 구성을 분리 전개하여 나타내는 평면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 상대 전극 부재와 작업 전극 부재를 나타내는 평면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 결합 커버 모듈을 나타내는 평면도이다.
도 9은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부를 축소 시제작하여 수소 발생에 대하여 실험하는 사진이다.
도 10은 도 9의 테스트를 통하여 얻은 수소 생성량을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치, 이를 이용한 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법 및 수소 생산 장치를 첨부도면을 참조하여 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 크게 메탄올 공급 단계(S100); 수소 생성 단계(S200); 수소 저장 단계(S300); 및 반응잔여물 저장 단계(S400);를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 메탄올 용액을 하기 수소생성 전기화학분해 반응장치부(또는 수소생성 전기화학분해 반응장치)로 공급하고 배출시키는 메탄올 공급 단계(S100); 상기 메탄올 공급 단계(S100)에서 공급되는 메탄올 용액을 특정 전극 구조의 수소생성 전기화학분해 반응장치부에서 제공받아 메탄올 용액을 전기분해하여 수소를 생성하는 수소 생성 단계(S200); 상기 수소 생성 단계(S200)에서 생성되는 수소를 수소 저장 탱크에 저장하는 수소 저장 단계(S300); 및 상기 수소 생성 단계(S200)에서 메탄올 용액이 전기분해되어 수소와 함께 생성된 반응잔여물을 제공받아 저장하는 반응잔여물 저장 단계(S400);를 포함한다.
상기 메탄올 공급 단계(S100)에서 이용되는 메탄올 용액은 물이 혼합되지 않은 순수 메탄올 용액이거나, 순수 메탄올에 KOH가 첨가된 메탄올 용액일 수 있다.
그리고 상기 메탄올 공급 단계(S100)에서 수소생성 전기화학분해 반응장치부로의 메탄올 용액의 공급과 배출은, 예를 들면 메탄올 용액의 흐름 방향을 기준으로 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 유입구의 상류 측에 구성되는 공급 펌프에 의해 수소생성 전기분해 반응장치부로 투입되고 배출되도록 하거나, 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 배출구의 하류 측에 석션 펌프에 의해 수소생성 전기화학분해 반응장치부로 투입되고 배출되도록 할 수 있으며, 이 외에도 메탄올 용액을 수소생성 전기화학분해 반응장치부를 거쳐서 전기분해 반응시킨 후 배출할 수 있는 장치라면 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 수소 생성 단계(S200)는 상대 전극과 기준 전극 및 작업 전극의 3전극 구조를 갖는 수소생성 전기화학분해 반응장치부에서 전기분해되어 수소(구체적으로는, H2)를 생성하게 된다.
상기 수소 생성 단계(S200)에서 수소생성 전기화학분해 반응장치부에서의 메탄올 용액은 그 수소생성 전기분해 반응장치부에서 상향류의 흐름으로 제공되도록 하여 전기분해 반응이 활발하게 일어나도록 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 3전극은 백금 상대전극(Pt Counter Electrode)과, 구리 작업전극(Cu Working Electrode), 및 은-염화은 기준전극(Ag/AgCl Reference Electrode)으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 수소 생성 단계(S200)에서 이용되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 구성에 대해서는 아래 수소 생산 장치에서 상세히 설명한다.
계속해서, 상기 수소 저장 단계(S300)과 반응잔여물 저장 단계(S400)는 각각 상기 수소 생성 단계(S200)에서 메탄올 용액이 전기분해되어 수소 및 수소와 함께 생성된 반응잔여물을 저장하는 단계로서, 수소생성 전기화학분해 반응장치부에서 메탄올 용액이 전기분해 반응하여 수소, 및 이 수소와 함께 C 화합물(구체적으로는 CO)의 혼합 가스가 생성되며, 이들 혼합 가스는 수소발생장치 등에서 이용되는 공지의 방법(PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식과 같은 방법으로 일산화탄소와 수소를 분리하는 방법 등)으로 수소와 일산화탄소(CO)를 분리하여 각각 저장 탱크에 저장하거나, 이를 에너지원으로 하는 장치 등에 공급되도록 할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 수소생성 전기화학분해 반응장치를 포함하는 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 대하여 도 2 내지 8을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치의 구성을 블록화하여 개략적으로 나타내는 블록도이고, 도 3은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부를 나타내는 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 구성을 분리 전개하여 나타내는 평면도이다. 도 5는 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 측면도 및 정면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 기준 전극 모듈의 구성을 분리 전개하여 나타내는 평면도이고, 도 7은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 상대 전극 부재와 작업 전극 부재를 나타내는 평면도이며, 도 8은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 결합 커버 모듈을 나타내는 평면도이다. 도 4는 가스켓 부재(260)를 생략한 도면이다.
본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치는, 도 2 내지 도 8에 나타낸 바와 같이, 크게 메탄올 공급 장치부(100); 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200); 수소 저장부(300); 및 반응잔여물 저장부(400);를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치는, 도 2 내지 도 8에 나타낸 바와 같이, 메탄올 용액을 하기 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)로 공급하고 배출시키도록 구성되는 메탄올 공급 장치부(100); 상기 메탄올 공급 장치부(100)에서 공급되는 메탄올 용액을 제공받아 전기분해하여 수소를 생성하는 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200); 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)의 전기화학분해로 생성되는 수소를 제공받아 저장하는 수소 저장부(300); 및 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)에서 메탄올 용액이 전기분해되어 수소와 함께 생성된 반응잔여물을 제공받아 저장하는 반응잔여물 저장부(400);를 포함한다.
상기 메탄올 공급 장치부(100)는 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)의 유입구의 상류 측에 구성되어 수소생성 전기분해 반응장치부(200)로 메탄올 용액을 투입하고 배출시키는 공급 펌프로 구성될 수 있다(도 2에서 실선으로 표시).
또한, 상기 메탄올 공급 장치부(100)는 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)의 배출구의 하류 측에 구비되어 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)로 메탄올 용액이 투입되고 배출되도록 하는 석션 펌프로 구성될 수 있다(도 2에서 점선으로 표시).
상기 메탄올 공급 장치부(100는 상기한 실시 예 외에도 메탄올 용액을 수소생성 전기화학분해 반응장치부를 거쳐서 전기분해 반응시킨 후 배출할 수 있는 장치라면 특별히 한정되는 것은 아니다.
상기 메탄올 공급 장치부(100)에서 공급되는 메탄올 용액은 물이 혼합되지 않은 순수 메탄올 용액이거나, 순수 메탄올에 KOH가 첨가된 메탄올 용액일 수 있다.
다음으로, 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)에 대하여 상세히 설명한다.
상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)는 상대 전극과 기준 전극 및 작업 전극의 3전극 구조를 갖고 통과하는 메탄올 용액을 전기분해하여 수소(구체적으로는, H2)를 생성하도록 구성된다.
구체적으로, 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)는, 도 3 내지 도 8에 나타낸 바와 같이, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하며, 전기화학적 반응이 일어나는 공간을 제공하도록 구성되는 기준 전극 모듈(210)과, 상기 기준 전극 모듈(210)의 일측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하게 구성되는 상대 전극 부재(220)와, 상기 기준 전극 모듈(210)의 타측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하게 구성되는 작업 전극 부재(230)와, 상기 상대 전극 부재(220)의 일측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 가능하게 구성되는 유입측 결합 커버 모듈(240)과, 상기 작업 전극 부재(230)의 타측에 구비되며, 메탄올 용액이 배출 가능하게 구성되는 배출측 결합 커버 모듈(250)과, 상기 기준 전극 모듈(210)과 상대 전극 부재(220) 사이, 상기 기준 전극 모듈(210)과 작업 전극 부재(230) 사이, 상기 상대 전극 부재(220)와 유입측 결합 커버 모듈(240) 사이, 및 상기 작업 전극 부재(230)와 배출측 결합 커버 모듈(250) 사이를 구비되고, 이들 사이를 기밀하게 밀봉하며, 메탄올 용액이 유입 및 배출가능하게 형성되는 가스켓 부재(260), 및 상기 각 구성부들(기준 전극 모듈(210), 상대 전극 부재(220), 작업 전극 부재(230), 유입측과 배출측 결합 커버 모듈(240, 250), 및 가스켓 부재(260))를 밀착 고정시키는 고정 수단을 포함한다.
상기 기준 전극 모듈(210)은 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하며, 전기화학적 반응이 일어나는 공간을 제공하는 구성부로서, 중앙에 개방부(211)가 형성되고, 상부와 하부 각각에 복수의 출입구멍(212)이 형성되며, 상기 개방부(211)와 복수의 출입구멍(212) 사이에 유동홈(213a)이 형성되는 중앙 반응판(213)과, 상기 중앙 반응판(213)의 양측에 각각 구비되며, 메탄올 용액이 유동가능하게 형성되는 한 쌍의 측면 반응판(214), 및 일단부는 기준 전극 모듈의 외측으로 노출되며, 타단부는 중앙 반응판(213)의 개방부(211) 측에 위치되게 장착되는 은-염화은 기준전극(Ag/AgCl Reference Electrode)(215)을 포함한다. 도 3에서 215a는 은-염화은 기준전극(215)이 장착되는 장착 구멍이다.
상기 중앙 반응판(213)과 측면 반응판(214)은 절연성 재질(예를 들면, 플라스틱 수지)로 이루어진다.
상기 중앙 반응판(213)은 소정 두께를 갖고 형성되며, 이에 따라 중앙 반응판(213)의 개방부(211)는 양측에 결합되는 측면 반응판(214)으로 커버되고, 그 개방부(211)에서 중앙 반응판(213)의 두께 만큼의 공간이 형성된다.
상기와 같이 형성되는 중앙 반응판(213)에는 양 측면에 측면 반응판(214)이 결합된 상태에서, 하부 측의 출입구멍(212)으로 유입된 수소생성 원료 용액은 유동홈(213a)을 거쳐 개방부(211) 측으로 제공되고, 상부 측의 출입구멍(212)을 통해 빠져나가게 된다.
여기에서, 상기 유동홈(213a)은 홈 형태 대신에 상기 개방부(211)와 복수의 출입구멍(212) 간을 연통시키는 절개부로 형성될 수도 있다.
또한, 본 발명의 기준 전극 모듈(210)은 상기 중앙 반응판(213) 대신에 양측벽에 개방부(211)를 갖고 형성되는 함체형의 중앙 하우징으로 구성될 수 있으며, 이 함체형의 중앙 하우징의 양측에 각각 측면 반응판(214)이 결합되어 구비될 수 있다.
상기 한 쌍의 측면 반응판(214)은 각각 동일하게 형성되는 것으로, 중앙부에 상기 중앙 반응판(213)의 개방부(211)의 사이즈에 상응하는 그릴 형태 또는 메쉬 형태의 메쉬부(214a)가 형성된다. 이에 따라, 상기 측면 반응판(214)은 메쉬부(214a)를 갖고 형성되어 그 메쉬부(214a)에 의해 메탄올 용액은 난류를 형성하며, 이로 인해 메탄올 용액의 전기화학분해 반응이 더욱 활발하게 일어나도록 한다.
계속해서, 상기 상대 전극 부재(220)는 백금 상대전극(Pt Counter Electrode)으로 형성되는 전극부(221), 및 상기 전극부(221)의 상부와 하부 각각에 구비되며, 복수의 출입구멍(222)을 갖는 절연성 재질의 유동 제공부(223)를 포함한다.
상기 상대 전극 부재(220))의 유동 제공부(223)는 전극부(221)와 분리되고, 전극부(221)와 일체로 조립 가능하게 구성된다.
상기 전극부(221)는 양 가장자리에 전원공급장치와 연결되는 접속 돌출부(221a)가 형성된다.
상기 작업 전극 부재(230)는 구리 작업전극(Cu Working Electrode)으로 형성되는 전극부(231), 및 상기 전극부(231)의 상부와 하부 각각에 구비되며, 복수의 출입구멍(232)을 갖는 절연성 재질의 유동 제공부(233)를 포함한다.
상기 작업 전극 부재(230))의 유동 제공부(233)는 전극부(231)와 분리되고, 전극부(231)와 일체로 조립 가능하게 구성된다.
상기 전극부(231)는 양 가장자리에 전원공급장치와 연결되는 접속 돌출부(231a)가 형성된다.
여기에서, 상기 상대 전극 부재(220)와 작업 전극 부재(230)는 유동 제공부(223, 233)는 생략되고, 중앙의 전극부(221, 231)만으로 구성될 수 있다.
다음으로, 상기 유입측 결합 커버 모듈(240)은 메탄올 용액이 투입되는 투입구(241)가 하부 일측에 돌출 형성되는 엔드 프레임 부재(242), 및 상기 엔드 프레임 부재(241)의 투입구(241)가 관통하여 외측으로 노출되는 관통 구멍(243)이 형성되며, 상기 엔드 프레임 부재(242)의 일측에 밀착 구비되는 엔드 커버 부재(244)를 포함한다.
상기 배출측 결합 커버 모듈(250)은 메탄올 용액이 배출되는 배출구(251)가 상부 일측에 돌출 형성되는 엔드 프레임 부재(252), 및 상기 엔드 프레임 부재(251)의 배출구(251)가 관통하여 외측으로 노출되는 관통 구멍(253)이 형성되며, 상기 엔드 프레임 부재(252)의 타측에 밀착 구비되는 엔드 커버 부재(254)를 포함한다.
여기에서, 상기 상대 전극 부재(220)와 작업 전극 부재(230)는 유동 제공부(223, 233)는 생략되고, 중앙의 전극부(221, 231)만으로 구성되는 경우, 상기 엔드 프레임 부재(242, 252)의 일면(상대 전극 부재와 작업 전극 부재에 대향하는 면)에는 상기 전극부(221, 231)가 각각 안착되는 안착홈(245, 255)이 형성된다.
상기 가스켓 부재(260)는 상기 기준 전극 모듈(210)과 상대 전극 부재(220) 사이, 상기 기준 전극 모듈(210)과 작업 전극 부재(230) 사이, 상기 상대 전극 부재(220)와 유입측 결합 커버 모듈(240) 사이, 및 상기 작업 전극 부재(230)와 배출측 결합 커버 모듈(250) 사이에 구비되어 이들 간을 기밀하게 밀봉하도록 형성된다.
상기 가스켓 부재(260)는 중앙에 개구부가 형성되고 상기 중앙 반응판(213)과 엔드 프레임 부재(252)와 상응하는 형태로 형성된다.
상기 고정 수단은 상기 각 구성부들(기준 전극 모듈(210), 상대 전극 부재(220), 작업 전극 부재(230), 유입측과 배출측 결합 커버 모듈(240, 250), 및 가스켓 부재(260))를 밀착 고정시키는 구성부로서, 각 구성부에 형성되는 각 구성부들에 형성되는 체결 구멍으로 볼트-너트 결합시키는 것으로 구성될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기와 같은 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)에서는 공급되는 메탄올 용액이 하부에서 투입되고 기준 전극 모듈(210)에서 상향류의 흐름으로 제공되면서 전기분해 반응시키고 상부 측에서 배출되도록 함으로써 기준 전극 모듈(210)의 측면 반응판(214)에 의한 난류 흐름 형성과 상향류의 흐름 형성으로 전기화학분해 반응이 활발하게 일어나게 된다.
계속해서, 상기 수소 저장부(300)와 반응잔여물 저장부(400)는 각각 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)의 전기화학분해로 생성되는 수소와 이 수소와 함께 생성된 반응잔여물(C 화합물, 구체적으로는 CO)의 혼합 가스를 펌핑하고, 펌핑된 혼합가스 자체를 제공받아 저장하거나, 혼합 가스에서 수소와 일산화탄소를 분리하여 저장하거나 이를 에너지원으로 하는 장치 등에 공급되도록 구성할 수 있다.
구체적으로, 상기 수소 저장부(300)와 반응잔여물 저장부(400)는 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)의 전기화학적 반응이 일어나는 공간, 즉 한 쌍의 중앙 반응판(213) 사이의 공간에 연통되게 일단부가 연장되고 타단부는 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부(200)의 외측으로 연장되는 생성 합성가스 배출라인과, 상기 생성 합성가스 배출라인 상에 구비되어 생성된 합성 가스를 석션하는 석션 펌프, 및 상기 석션 펌프에서 석션되어 나오는 합성 가스를 제공받아 저장하거나 합성 가스를 수소발생장치 등에서 이용되는 공지의 방법(PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식과 같이 일산화탄소와 수소를 분리하는 방법 등)으로 수소와 일산화탄소(CO)를 분리하여 각각 저장 탱크에 저장하거나, 이를 에너지원으로 하는 장치 등에 공급되도록 이루어질 수 있다.
여기에서, 상기 생성 합성가스 배출라인에서 석션 펌프 전후에는 기액 분리 장치가 구성되어 합성 가스와 함께 배출되는 수분(메탄올 용액)을 분리하도록 할 수 있다.
한편, 도 9은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 장치에 포함되는 수소생성 전기화학분해 반응장치부를 축소 시제작하여 수소 발생에 대하여 실험하는 사진이며, 도 10은 도 9의 테스트를 통하여 얻은 수소 생성량을 나타내는 그래프이다.
본 발명의 발명자는 1M KOH 메탄올 용액에 대하여 생성되는 수소의 양을 GC-TCD(가스크로마토그래피 검출기)를 이용하여 정량 분석하였다. 1M KOH 메탄올 용액에 1V(Ag/AgCl 전극)의 전압을 인가하였다.
1시간 동안 반응시켰을 때 91.34mmol L-1의 수소가 발생하였고, 4시간 경과 후 160.67mmol L-1의 수소가 누적되었다. 6시간 경과 후 측정된 수소 발생량은 167.23mmol L-1로 수소 누적량의 증가폭이 감소하였으나, 반응기 내부에 수소가 포화되어 평형상태를 유지하기 때문인 것으로 확인되었다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 순수 메탄올의 전기화학적 분해를 통한 수소 생산 방법 및 수소 생산 장치에 의하면, 첫째, 본 발명은 기존의 수소 생산법인 물의 전기분해와 화석연료의 개질 및 분해가 아닌 순수 메탄올로 수소를 생산할 수 있으며, 기존의 수소 생산법인 물의 전기분해에서 수소를 얻는데 필요로 되는 전압보다 현저히 낮은 전압으로 수소를 생산할 수 있어 뛰어난 경제성을 갖는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 수소 생산을 위해 이용되는 전기 분해 장치가 상대적으로 콤팩트하게 구성되어 수소 생산 장치를 필요로 하는 수요처의 적용 대상에 대한 설계 자유도를 향상시킬 수 있으며, 생성되는 수소를 에너지원으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 수소와 함께 생성되는 잔여물인 C 화합물(구체적으로, CO) 또한 에너지원으로 사용가능하여 신재생에너지 분야에 활용할 수 있는 이점이 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
S100: 메탄올 공급 단계
S200: 수소 생성 단계
S300: 수소 저장 단계
S400: 반응잔여물 저장 단계
100: 메탄올 공급 장치부
200: 수소생성 전기화학분해 반응장치부
210: 기준 전극 모듈
211: 개방부
212: 출입구멍
213: 중앙 반응판
231a: 유동홈
214: 측면 반응판
214a: 메쉬부
215: 은-염화은 기준전극
220: 상대 전극 부재
221, 231: 전극부
221a, 231a: 접속 돌출부
222, 232: 출입구멍
223, 233: 유동 제공부
230: 작업 전극 부재
240: 유입측 결합 커버 모듈
241: 투입구
242, 252: 엔드 프레임 부재
243, 253: 관통 구멍
244, 254: 엔드 커버 부재
245, 255: 안착홈
250: 배출측 결합 커버 모듈
251: 배출구
260: 가스켓 부재
300: 수소 저장부
400: 반응잔여물 저장부

Claims (22)

  1. 하기 수소생성 전기화학분해 반응장치부를 메탄올 용액이 통과하도록 메탄올 용액을 공급하는 메탄올 공급 단계;
    상기 메탄올 공급 단계에서 제공받은 메탄올 용액을 3전극 구조의 수소생성 전기화학분해 반응장치부에서 전기분해하여 수소를 생성하는 수소 생성 단계; 및
    상기 수소 생성 단계에서 생성되는 수소 및 수소와 함께 생성되는 반응잔여물의 혼합가스를 저장하거나, 혼합가스의 수소와 반응잔여물을 각각 분리 저장하거나 또는 공급 대상으로 공급하는 저장 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 메탄올 공급 단계의 메탄올 용액은 수순 메탄올 용액이거나, 순수 메탄올에 KOH가 첨가된 메탄올 용액인 것을 특징으로 하는
    수소 생산 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소 생성 단계는,
    상기 메탄올 공급 단계에서 공급되는 메탄올 용액이 수소생성 전기화학분해 반응장치부에서 상향류의 흐름을 형성하면서 전기화학 분해로 수소를 생성하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 방법.
  4. 메탄올 용액을 하기 수소생성 전기화학분해 반응장치부에 제공하고 배출시키도록 구성되는 메탄올 공급 장치부;
    상기 메탄올 공급 장치부에서 공급되는 메탄올 용액을 제공받아 전기화학 분해하여 수소를 생성하는 수소생성 전기화학분해 반응장치부; 및
    상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부에서 생성되는 수소를 포함하는 혼합가스를 저장하는 저장부;를 포함하는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 메탄올 공급 장치부는, 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 입구 측에 구비되는 공급 펌프 또는 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 출구 측에 구비되는 석션 펌프로 구성되며,
    상기 저장부는 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부로부터의 수소와 일산화탄소의 혼합가스를 저장하는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 메탄올 공급 장치부는, 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 입구 측에 구비되는 공급 펌프 또는 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부의 출구 측에 구비되는 석션 펌프로 구성되며,
    상기 저장부는, 상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부로부터의 수소와 일산화탄소의 혼합가스가 배출되는 배출 라인 상에 구비되는 수소-일산화탄소 분리 장치에 의해 분리된 수소와 일산화탄소를 각각 저장하도록 구성되는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배출 라인 상에 구비되어 합성가스 및 이 합성가스와 함께 배출되는 메탄올 용액을 분리하는 기액 분리 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 메탄올 공급 장치부에서 공급되는 메탄올 용액은 수순 메탄올 용액이거나, 순수 메탄올에 KOH가 첨가된 메탄올 용액인 것을 특징으로 하는
    수소 생산 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 수소생성 전기화학분해 반응장치부는,
    메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하며, 전기화학적 반응이 일어나는 반응 공간을 제공하도록 구성되는 기준 전극 모듈;
    상기 기준 전극 모듈의 일측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하게 구성되는 상대 전극 부재;
    상기 기준 전극 모듈의 타측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하게 구성되는 작업 전극 부재;
    상기 상대 전극 부재의 일측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 가능하게 구성되는 유입측 결합 커버 모듈;
    상기 작업 전극 부재의 타측에 구비되며, 메탄올 용액이 배출 가능하게 구성되는 배출측 결합 커버 모듈;
    상기 기준 전극 모듈과 상대 전극 부재 사이, 상기 기준 전극 모듈과 작업 전극 부재 사이, 상기 상대 전극 부재와 유입측 결합 커버 모듈 사이, 및 상기 작업 전극 부재와 배출측 결합 커버 모듈 사이에 구비되어 이들 사이를 기밀하게 밀봉하는 가스켓 부재; 및
    상기 기준 전극 모듈, 상대 전극 부재, 작업 전극 부재, 유입측과 배출측 결합 커버 모듈, 및 가스켓 부재를 밀착 고정시키는 고정 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기준 전극 모듈은,
    중앙에 개방부가 형성되고, 상부와 하부 각각에 복수의 출입구멍이 형성되며, 상기 개방부와 복수의 출입구멍 사이에 유동홈이 형성되는 절연성 재질의 중앙 반응판;
    상기 중앙 반응판의 양측에 각각 구비되며, 메탄올 용액이 유동가능하게 형성되는 절연성 재질의 한 쌍의 측면 반응판; 및
    일단부는 기준 전극 모듈의 외측으로 노출되며, 타단부는 중앙 반응판의 개방부 측에 위치되게 장착되는 은-염화은(Ag/AgCl) 기준 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기준 전극 모듈은,
    측벽에 각각 개방부를 갖고 형성되는 절연성 재질의 함체형의 중앙 하우징;
    상기 중앙 하우징의 양측에 각각 구비되며, 메탄올 용액이 유동가능하게 형성되는 절연성 재질의 한 쌍의 측면 반응판; 및
    일단부는 기준 전극 모듈의 외측으로 노출되며, 타단부는 상기 중앙 중앙부의 공간 측에 위치되게 장착되는 은-염화은(Ag/AgCl) 기준 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 한 쌍의 측면 반응판은 상기 중앙 반응판의 개방부의 사이즈에 상응하는 메쉬부가 형성되는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 장치.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 상대 전극 부재는 백금(Pt) 상대 전극으로 형성되는 판상의 전극부, 및 상기 전극부의 상부와 하부 각각에 형성되며, 복수의 출입구멍을 갖는 절연성 재질의 유동 제공부를 포함하고,
    상기 작업 전극 부재는 구리(Cu) 작업 전극으로 형성되는 판상의 전극부, 및 상기 전극부의 상부와 하부 각각에 형성되며, 복수의 출입구멍을 갖는 절연성 재질의 유동 제공부를 포함하며,
    상기 상대 전극 부재와 작업 전극 부재 각각의 전극부는 외부로 노출되어 전원공급장치와 연결되는 접속 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 장치.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 유입측 결합 커버 모듈은, 메탄올 용액이 투입되는 투입구가 하부 일측에 돌출 형성되는 엔드 프레임 부재, 및 상기 엔드 프레임 부재의 투입구가 관통하여 외측으로 노출되는 관통 구멍이 형성되며, 상기 엔드 프레임 부재의 일측에 구비되는 엔드 커버 부재를 포함하며,
    상기 배출측 결합 커버 모듈은 모듈 메탄올 용액이 배출되는 배출구가 상부 일측에 돌출 형성되는 엔드 프레임 부재, 및 상기 엔드 프레임 부재의 배출구가 관통하여 외측으로 노출되는 관통 구멍이 형성되며, 상기 엔드 프레임 부재의 타측에 구비되는 엔드 커버 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 상대 전극 부재와 작업 전극 부재가 각각 대향하는 면인 상기 엔드 프레임 부재 각각의 면에는 하기 전극의 형상에 상응하는 형상의 안착홈이 형성되고,
    상기 상대 전극 부재는 상기 유입측 결합 커버 모듈의 엔드 프레임 부재의 안착홈에 안착되는 백금(Pt) 상대 전극으로 구성되며,
    상기 작업 전극 부재는 상기 배출측 결합 커버 모듈의 엔드 프레임 부재의 안착홈에 안착되는 구리(Cu) 작업 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는
    수소 생산 장치.
  16. 메탄올 용액을 전기화학분해하여 수소를 생성하기 위한 수소생성 전기화학분해 반응장치로서,
    메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하며, 전기화학적 반응이 일어나는 반응 공간을 제공하도록 구성되는 기준 전극 모듈;
    상기 기준 전극 모듈의 일측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하게 구성되는 상대 전극 부재;
    상기 기준 전극 모듈의 타측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 및 배출 가능하게 구성되는 작업 전극 부재;
    상기 상대 전극 부재의 일측에 구비되며, 메탄올 용액이 유입 가능하게 구성되는 유입측 결합 커버 모듈;
    상기 작업 전극 부재의 타측에 구비되며, 메탄올 용액이 배출 가능하게 구성되는 배출측 결합 커버 모듈;
    상기 기준 전극 모듈과 상대 전극 부재 사이, 상기 기준 전극 모듈과 작업 전극 부재 사이, 상기 상대 전극 부재와 유입측 결합 커버 모듈 사이, 및 상기 작업 전극 부재와 배출측 결합 커버 모듈 사이에 구비되어 이들 사이를 기밀하게 밀봉하는 가스켓 부재; 및
    상기 기준 전극 모듈, 상대 전극 부재, 작업 전극 부재, 유입측과 배출측 결합 커버 모듈, 및 가스켓 부재를 밀착 고정시키는 고정 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는
    메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 기준 전극 모듈은,
    중앙에 개방부가 형성되고, 상부와 하부 각각에 복수의 출입구멍이 형성되며, 상기 개방부와 복수의 출입구멍 사이에 유동홈이 형성되는 절연성 재질의 중앙 반응판;
    상기 중앙 반응판의 양측에 각각 구비되며, 메탄올 용액이 유동가능하게 형성되는 절연성 재질의 한 쌍의 측면 반응판; 및
    일단부는 기준 전극 모듈의 외측으로 노출되며, 타단부는 중앙 반응판의 개방부 측에 위치되게 장착되는 은-염화은(Ag/AgCl) 기준 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는
    메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 기준 전극 모듈은,
    측벽에 각각 개방부를 갖고 형성되는 절연성 재질의 함체형의 중앙 하우징;
    상기 중앙 하우징의 양측에 각각 구비되며, 메탄올 용액이 유동가능하게 형성되는 절연성 재질의 한 쌍의 측면 반응판; 및
    일단부는 기준 전극 모듈의 외측으로 노출되며, 타단부는 상기 중앙 중앙부의 공간 측에 위치되게 장착되는 은-염화은(Ag/AgCl) 기준 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는
    메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 한 쌍의 측면 반응판은 상기 중앙 반응판의 개방부의 사이즈에 상응하는 메쉬부가 형성되는 것을 특징으로 하는
    메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치.
  20. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 상대 전극 부재는 백금(Pt) 상대 전극으로 형성되는 판상의 전극부, 및 상기 전극부의 상부와 하부 각각에 형성되며, 복수의 출입구멍을 갖는 절연성 재질의 유동 제공부를 포함하고,
    상기 작업 전극 부재는 구리(Cu) 작업 전극으로 형성되는 판상의 전극부, 및 상기 전극부의 상부와 하부 각각에 형성되며, 복수의 출입구멍을 갖는 절연성 재질의 유동 제공부를 포함하며,
    상기 상대 전극 부재와 작업 전극 부재 각각의 전극부는 외부로 노출되어 전원공급장치와 연결되는 접속 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는
    메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 유입측 결합 커버 모듈은, 메탄올 용액이 투입되는 투입구가 하부 일측에 돌출 형성되는 엔드 프레임 부재, 및 상기 엔드 프레임 부재의 투입구가 관통하여 외측으로 노출되는 관통 구멍이 형성되며, 상기 엔드 프레임 부재의 일측에 구비되는 엔드 커버 부재를 포함하며,
    상기 배출측 결합 커버 모듈은 모듈 메탄올 용액이 배출되는 배출구가 상부 일측에 돌출 형성되는 엔드 프레임 부재, 및 상기 엔드 프레임 부재의 배출구가 관통하여 외측으로 노출되는 관통 구멍이 형성되며, 상기 엔드 프레임 부재의 타측에 구비되는 엔드 커버 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는
    메탄올 기반의 수소생성 전기화학분해 반응장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 상대 전극 부재와 작업 전극 부재가 각각 대향하는 면인 상기 엔드 프레임 부재 각각의 면에는 하기 전극의 형상에 상응하는 형상의 안착홈이 형성되고,
    상기 상대 전극 부재는 상기 유입측 결합 커버 모듈의 엔드 프레임 부재의 안착홈에 안착되는 백금(Pt) 상대 전극으로 구성되며,
    상기 작업 전극 부재는 상기 배출측 결합 커버 모듈의 엔드 프레임 부재의 안착홈에 안착되는 구리(Cu) 작업 전극으로 구성되는 것을 특징으로 하는
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