KR20230152326A - 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 및 그 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따르는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은, 전력을 생성하기 위해 수소를 필요로 하며, 물을 생성하는 연료전지; 상기 연료전지로부터 생성된 물과 외부로부터 투입된 탄화수소를 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하며, 생성된 기체 혼합물에서 수소를 추출하여 상기 연료전지에 공급하는 탄화수소 개질기; 상기 탄화수소 개질기로부터 상기 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 반응기; 및 상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 이용하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 상기 연료전지에 공급하는 수소생성기를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지에 투입되는 연료의 개질이 진행된 이후에 발생되는 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질인 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 활용하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 다시 연료전지에 공급함으로써, 연료전지의 발전효율을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지에 투입되는 연료의 개질이 진행된 이후에 발생되는 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질인 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨을 제조할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 활용하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 다시 연료전지에 공급함으로써, 연료전지의 발전효율을 향상시키는 효과가 있다.
Description
본 발명은 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환경적으로 안전한 무공해 전기 생산 시스템을 구현할 수 있는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
최근, 기후변화가 세계적인 이슈로 부상함에 따라 각 국가의 대응도 활발해지고 있으며, 주요 국가들은 온실가스의 감축을 위한 다양한 정책을 도입하고 있다. 교토 의정서가 정식으로 발효되면서, 우리나라도 온실가스의 감축 의무를 피해갈 수 없는 상황에 놓여 있지만, 온실가스의 배출량이 증가하는 추세를 끌어내리기에는 부족한 실정이다.
이러한 상황에서 신재생에너지의 활용, 에너지 효율의 향상, 이산화탄소의 감축 등에 대한 관심이 그 어느 때보다 높아지고 있다.
이에 따라, 연료전지는 신재생에너지로서 두각을 나타내고 있다. 연료전지는 수소, 일산화탄소, 메탄올, 에탄올, 글루코오스 또는 다른 탄화수소와 같은 화학 물질의 전기적 산화에 의해 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로서, 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)의 배출량이 획기적으로 줄어들기 때문에 기존의 화석연료를 이용한 발전설비보다 친환경적인 장점이 있다.
그런데, 현재 이용 가능한 연료전지 기술은 수소를 함유한 액체 연료를 사용하고, 상기 액체 연료는 개질기에 의해서 수소와 이산화탄소의 기체 혼합물로 전환된 후에 상기 기체 혼합물에서 수소만 추출되어 연료전지의 에너지 공급용으로 투입되지만, 상기 이산화탄소 기체는 외부로 배출된다.
이에, 연료전지에 공급된 수소 이외에 남은 온실가스의 주범인 이산화탄소의 배출을 줄이기 위한 여러 가지 대안이 대두되고 있으나, 연료전지에서 발생된 이산화탄소를 저감하는 기술의 발전은 아직 미비한 상황이다.
또한, 지구온난화와 화석연료의 고갈에 따른 대체에너지의 연구개발에 대한 요구가 지속적으로 높아지고 있는 가운데 실용 가능성 있는 환경 및 에너지 문제 해결의 유일한 대안으로 수소에너지가 주목받고 있다.
이에 따라 전기에너지를 이용하여 순수한 물로부터 수소를 생산하는 기술인 수전해 기술의 중요성이 대두되고 있다.
종래 수전해 기술은 기본적으로 외부 전원, 애노드(Anode) 및 캐소드(Cathode)를 포함하고, 외부 전원으로부터 전기가 인가되면 애노드에서 산화를 통해 산소(O2)를 발생하고, 캐소드에서 환원을 통해 수소(H2)를 발생시키는 구조를 가진다. 즉, 종래 수전해 기술은 물을 전기분해하여 수소와 산소로 분해하는 과정으로 볼 수 있다.
이때, 상기 종래 수전해 기술의 캐소드에서는 환원 과정 중에 반응물로서 OH-라디칼이 생성되는데, 상기 OH-라디칼은 애노드에서 산화를 통해 발생되는 산소(O2)와, 캐소드에서 환원을 통해 발생되는 수소(H2)와 재결합하기 쉬워 물(H2O)이 생성되기 때문에 결과적으로 수소(H2)의 발생 효율이 저하되는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명은 연료전지에 투입되는 연료의 개질이 진행된 이후에 발생되는 이산화탄소를 줄이기 위한 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 염기성 알칼리 혼합액을 이용한 배가스 중 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 활용하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 다시 연료전지에 공급함으로써, 종래 기술 대비 이산화탄소를 최대로 활용 가능함과 동시에 연료전지의 발전효율도 향상시키는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 전해액을 활용하여 종래 수전해 기술 대비 더 많은 수소를 생성할 수 있는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 및 그 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재들로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은, 전력을 생성하기 위해 수소를 필요로 하며, 물을 생성하는 연료전지; 상기 연료전지로부터 생성된 물과 외부로부터 투입된 탄화수소를 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하며, 생성된 기체 혼합물에서 수소를 추출하여 상기 연료전지에 공급하는 탄화수소 개질기; 상기 탄화수소 개질기로부터 상기 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 반응기; 및 상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 이용하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 상기 연료전지에 공급하는 수소생성기;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄화수소 개질기는, 상기 기체 혼합물로부터 수소 및 이산화탄소를 추출 또는 분리하기 위한 추출 수단; 및 상기 추출 수단으로부터 추출된 수소를 상기 연료전지에 공급하고 상기 생성된 기체 혼합물에서 수소와 분리된 이산화탄소를 상기 반응기에 공급하기 위한 전달 수단;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 반응기는, 상기 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 믹서; 상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액과 상기 탄화수소 개질기로부터 전달된 이산화탄소를 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 흡수탑; 상기 흡수탑에서 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 분리기; 및 상기 분리된 이산화탄소 반응물을 자원화하기 위해 저장하는 탄소자원 저장소;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 믹서는 염기성 알칼리 용액 저장조에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원에서 공급된 물을 혼합시켜 상기 염기성 알칼리 혼합액을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 내지 pH13.5인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 염기성 알칼리 혼합액은, SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O 및 P2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물; Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 및, 사붕산나트륨(Na2B4O7·10H2O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na2SiO3), 수산화칼륨(KOH) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 액상 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡수탑은 상부에 설치된 다수의 노즐을 통해 상기 믹서로부터 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만으로 낮아지면 상기 믹서에서 밸브를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 상기 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단되고, 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 12 내지 13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡수탑은 상기 탄화수소 개질기로부터 전달된 이산화탄소를 하부에 설치된 버블러를 통과하도록 하여 미세 방울이 형성된 이산화탄소와, 상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액을 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 반응기는, 상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부; 및 상기 모니터링부에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부;를 추가 포함한다.
또한, 상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수소생성기는, 상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전해액으로 사용하여 전기 분해에 의해 수소 가스를 생성하는 수전해셀을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법은, 전력을 생성하기 위해 수소를 필요로 하고, 물을 생성하는 연료전지를 제공하는 A단계; 탄화수소 개질기는 상기 A단계에서 상기 연료전지로부터 생성된 물과 외부로부터 투입된 탄화수소를 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하는 B단계; 반응기는 상기 탄화수소 개질기로부터 상기 B단계에서 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하는 C단계; 수소생성기는 상기 반응기에 의해 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 이용하여 수소를 생성하는 D단계; 및 상기 수소생성기는 상기 C단계에서 생성된 수소를 상기 연료전지에 공급하여 전력을 생성하는 E단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 B단계에서, 탄화수소 개질기에 의한 수증기개질반응을 통해 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성되며, 생성된 기체 혼합물 중에서 수소는 상기 연료전지에 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 C단계에서, 상기 염기성 알칼리 혼합액은, SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O 및 P2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물; Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 및, 사붕산나트륨(Na2B4O7·10H2O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na2SiO3), 수산화칼륨(KOH) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 액상 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 C단계에서, 상기 반응기는 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액과 탄화수소 개질기로부터 전달된 이산화탄소를 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 C단계는, 상기 반응기 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만으로 낮아지면 상기 믹서에서 밸브를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 상기 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단되고, 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 12 내지 13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 D단계에서, 상기 수소생성기는 상기 반응기에 의해 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전해액으로 사용하여 전기 분해를 통해 수소 가스를 생성하는 것을 특징으로 한다.
개시된 기술의 실시 예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 개시된 기술의 실시 예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지에 투입되는 연료의 개질이 진행된 이후에 발생되는 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 연료전지 개질에 있어서 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질인 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 활용하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 다시 연료전지에 공급함으로써, 연료전지의 발전효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 전해액을 활용하여 종래 수전해 기술 대비 더 많은 수소를 생성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기(300)를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생성기(400)의 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 B 부분의 확대도이다.
도 5는 도 3에 도시된 A 부분의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법을 보여주는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기(300)를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생성기(400)의 개념도이다.
도 4는 도 3에 도시된 B 부분의 확대도이다.
도 5는 도 3에 도시된 A 부분의 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법을 보여주는 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다.
그러나, 이는 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.
본 발명에서, "포함한다" 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.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은 연료전지(100), 탄화수소 개질기(200), 반응기(300), 및 수소생성기(400)를 포함할 수 있다.
상기 연료전지(100)는 전력을 생성하기 위해 수소를 필요로 하며, 물을 생성할 수 있다. 구체적으로, 상기 연료전지(100)는 수소와 공기 중의 산소의 결합 반응에 의해 발전을 수행할 수 있다.
또한, 상기 연료전지(100)는 수소와 산소의 화학반응을 일으키는 스택(Stack)의 화학물질 조성에 따라 고체고분자형(PEFC), 인산형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC) 중 하나일 수 있다.
한편, 현재 사용 가능한 연료 전지 기술은 일반적으로 디젤, 가솔린, 메탄올, 천연 가스 등과 같은 탄화수소를 함유한 액체 연료를 사용한다.
상기 탄화수소 개질기(200)는 상기 연료전지(100)와 연결되어 상기 연료전지(100)로부터 생성된 물과 외부로부터 투입된 탄화수소, 즉 상기 탄화수소를 함유한 액체 연료를 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하며, 생성된 기체 혼합물에서 수소를 추출하여 상기 연료전지(100)에 공급할 수 있다.
구체적으로, 상기 탄화수소 개질기(200)는 탄화수소와 수증기를 반응시켜 하기 반응식 1에서와 같이, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성할 수 있다.
<반응식 1>
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2
상술한 화학적 반응은 물질량으로 따지면 수소와 이산화탄소 비율은 4:1이지만, 이산화탄소는 수소보다 5배 가량 더 무거워 수소 1kg 생산시 약 5kg의 이산화탄소를 배출한다. 즉, 상기 화학적 반응에 따라 생산되는 수소의 양보다 이산화탄소의 양이 많기 때문에 상기 이산화탄소를 저감시키기 위한 방안이 필요하다.
이를 위해서, 탄화수소 개질기(200)는 상기 기체 혼합물로부터 수소 및 이산화탄소를 추출 또는 분리하기 위한 추출 수단과, 상기 추출 수단으로부터 추출된 수소를 상기 연료전지(100)에 공급하고 상기 생성된 기체 혼합물에서 수소와 분리된 이산화탄소를 상기 반응기(300)에 공급하기 위한 전달 수단;을 포함할 수 있다.
상기 반응기(300)는 상기 탄화수소 개질기(200)와 연결되어 상기 탄화수소 개질기(200)로부터 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리함으로써, 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환시킬 수 있다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기(300)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 연료전지(100)에 연결된 탄화수소 개질기(200)로부터 공급된 이산화탄소를 염기성 알칼리 용액을 이용하여 포집하는 시스템으로서, 흡수탑(310), 이산화탄소 포집부(311), 배가스 배출원(320), 믹서(330), 분리기(340), 탄소자원 저장조(341) 및 배출부(350)를 포함할 수 있다.
상기 흡수탑(310)은 이산화탄소를 포집하는 시설, 건물, 설비 등을 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 흡수탑(310)의 하단에 위치하는 이산화탄소 포집부(311)는 흡수탑(310)의 일부분이며, 배가스를 버블링하여 이산화탄소를 포집하는 부분을 의미하는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(310)은 이산화탄소가 포집되는 이산화탄소 포집부(311)를 하단에 포함하여, 염기성 알칼리 혼합액과 이산화탄소(이산화탄소 마이크로버블)를 반응시켜 이산화탄소를 포집한다.
상기 흡수탑(310)은 상부에 노즐이 설치되어 믹서(330)로부터 상기 노즐을 통해 염기성 알칼리 혼합액이 흡수탑(310) 내에 분사되고, 하단의 이산화탄소 포집부(311)에 모인다. 상기 염기성 알칼리 혼합액이 분사되는 동시에 배가스 배출원(320)으로부터 공급된 이산화탄소가 흡수탑(310) 하부의 이산화탄소 포집부(311) 내의 버블러(313)를 통과하여 마이크로버블(microbubble)이 생성된 이산화탄소가 공급되며, 상기 이산화탄소 포집부(311) 내에서 염기성 알칼리 혼합액과 이산화탄소 마이크로버블이 반응하여 이산화탄소를 포집한다. 상기 마이크로버블은 염기성 알칼리 혼합액에 이산화탄소를 반응시킬 때 배가스 배출원(320)의 출구에 미세한 구멍이 형성된 버블러(313)를 통과하면서 버블이 형성된다.
상기 버블러(313)는 탄화수소 개질기(200)로부터 전달받아 배가스 배출원(320)을 통해 공급된 이산화탄소를 통과시킴으로써 이산화탄소에 마이크로버블을 형성할 수 있고, 상기 마이크로버블은 버블의 크기가 작을수록 배가스와 알칼리 용액의 반응면적이 넓어져 이산화탄소의 포집 능력이 증가하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로버블은 약 50 ㎛ 이하의 크기를 가지는 수용액 상에 존재하는 기포를 의미하는 것일 수 있다.
또한, 상기 흡수탑(310)은 내부에 레벨 인디케이터(level indicator)(312)를 포함하여 흡수탑(310) 내의 용액의 수위를 감지할 수 있다.
상기 노즐은 다수의 노즐을 포함할 수 있고, 1단 이상의 단으로 형성될 수 있다. 상기 노즐은 믹서(330)와 연결되어 믹서(330)로부터 염기성 알칼리 혼합액을 공급할 수 있다.
상기 흡수탑(310)은 직렬, 병렬, 또는 직렬과 병렬 복합 배열로 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 흡수탑(310)은 배기가스의 유속이 빠른 경우 직렬로 배열하는 것일 수 있다. 유속이 빨라 반응이 안된 이산화탄소가 흡수탑에서 배출되는 경우 흡수탑을 직렬로 설치하여 미반응 이산화탄소를 포집할 수 있다.
또한, 예를 들어, 상기 흡수탑(310)은 배기가스의 유량이 많은 경우 병렬로 배열하는 것일 수 있다. 배기가스의 유량이 흡수탑이 포집할 수 있는 양을 초과하는 경우 흡수탑을 병렬로 하여 포집 가능한 이산화탄소의 양을 늘릴 수 있다.
상기 배가스 배출원(320)은 탄화수소 개질기(200)의 탄화수소 개질에 의해 생성된 이산화탄소를 활용할 수 있다.
상기 믹서(330)은 염기성 알칼리 용액 저장조(331)에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원(332)에서 공급된 물을 혼합하여, 상기 흡수탑(310)의 노즐로 공급한다.
상기 염기성 알칼리 용액과 물이 혼합된 염기성 알칼리 혼합액은 공급량 또는 필요량이 많아질 경우 별도로 연결된 바이패스(by-pass)(336) 라인을 이용하여 공급할 수 있다.
상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합하는 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:4, 1:1 내지 1:3, 1:1 내지 1:2, 1:2 내지 1:5, 1:2 내지 1:3 또는 1:3 내지 1:5의 비율로 혼합하는 것일 수 있다.
상기 염기성 알칼리 용액과 물은 염기성 알칼리 용액의 혼합비가 증가할수록 이산화탄소 포집률이 증가할 수 있으나, 비용적인 측면을 고려하여 물의 혼합비를 조절할 수 있다.
상기 염기성 알칼리 혼합액은, SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O 및 P2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물; Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 및, 사붕산나트륨(Na2B4O7·10H2O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na2SiO3), 수산화칼륨(KOH) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 액상 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 급수원(332)은 시스템 설치 장소에서 용이하게 구할 수 있는 모든 용수를 포함할 수 있고, 예를 들어, 해수일 수 있다.
상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 이상인 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 pH는 pH12 내지 pH13.5, pH13, pH12, pH12,1, pH12,2 또는 pH12.3일 수 있다. 상기 염기성 알칼리 혼합액의 pH는 상기 흡수탑(310) 내의 pH meter로 측정될 수 있으며, 상기 흡수탑(310) 내의 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 10.5 미만이 되면 더 이상 이산화탄소 포집을 하지 못하기 때문에, 상기 염기성 알칼리 혼합액의 pH를 맞추기 위해, 상기 염기성 알칼리 용액과 물의 양은 각각의 밸브(333, 334)에서 0 내지 100%까지 조절하여 믹서(330)로 공급될 수 있다.
상기 흡수탑(310) 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만(level indicator로 측정)으로 낮아지면 상기 믹서(330)에서 밸브(335)를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 용액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단될 수 있다. 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 12 내지 13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(310)으로 공급되는 염기성 알칼리 혼합액의 양과 상기 분리기(340)에서 나가는 용액의 양이 동일해서 지속적으로 이산화탄소 포집 시스템을 유지할 수 있기 때문에, 상기 흡수탑(310)에서 분리기(340)로 가는 라인에 설치된 flow meter 값과 동일한 양의 염기성 알칼리 혼합액이 흡수탑(310)에 공급되도록 밸브(335)(필요시 by-pass 밸브 포함)를 조절하여 net flow를 0로 만드는 것일 수 있다.
상기 흡수탑(310)의 이산화탄소 포집부(311)에서 염기성 알칼리 혼합액과 이산화탄소가 반응하여 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액은 밸브(314)를 통해 분리기(340)로 이동하여, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리한다. 예를 들어, 상기 분리기(340)는 원심분리법을 이용하여 분리하는 것일 수 있다.
상기 분리된 이산화탄소 반응물은 유용한 탄소 자원인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것으로, 탄소자원 저장소(341)로 이동되며 이동된 이산화탄소 반응물은 후술할 수소생성기(400)에 공급될 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 반응물은 비누, 세제, 피혁 및 식품 첨가제 등의 다양한 산업분야에서 활용이 가능한 물질로써 부가가치가 높을 뿐만 아니라 상업적 잠재력이 큰 화합물이다.
상기 반응기(300)는 육상에서 사용하는 시스템으로, 이산화탄소 반응물을 저장할 장소를 확보하기 용이하기 때문에 이산화탄소 반응물을 다른 유용한 물질로 자원화하기 위해 분리하여 탄소자원 저장소에 저장하는 것일 수 있다.
상기 이산화탄소 반응물은 하기 반응식 2에서와 같이, 염기성 알칼리 혼합물과 이산화탄소가 반응하여 생성될 수 있다.
<반응식 2>
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O
Na2CO3 + H2O + CO2 → 2NaHCO3
상기 반응물에서 이산화탄소 반응물을 제외한 폐용액은 폐수 처리조(342)로 이동되어 폐기된다. 예를 들어, 상기 폐용액은 촉매 역할을 끝낸 염기성 알칼리 혼합액에 함유되어 있던 일라이트 광물 및 물 등을 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 포집부(311)에서 이산화탄소 포집 후 이산화탄소가 제거된 잔여 이산화탄소는 배출부(350)를 통해 배출된다. 예를 들어, 상기 배출부(150)를 통해 배출되는 잔여 이산화탄소는 일부 소량의 포집되지 못한 이산화탄소가 포함될 수 있다.
이때, 상기 잔여 이산화탄소는 배출 시 이산화탄소의 농도가 규제 기준치를 초과할 수 없으므로, 상기 잔여 이산화탄소가 배출될 대기 속 이산화탄소의 농도를 기준으로 하여(관리자가 미리 대기의 이산화탄소 농도의 측정 후 설정한 기준) 기준을 초과하지 않는 잔여 이산화탄소를 배출할 수 있다.
상기 반응기(300)는, 상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부(360); 및 상기 모니터링부(360)에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부(361);를 추가 포함할 수 있다.
상기 반응기(300)의 모든 과정에서 측정되는 gas meter, pH meter, flow meter의 값을 모니터링부(360)에서 관리하며, 모니터링부(360)에서 나타내는 값을 기반으로 제어부(361)를 조절한다. 상기 제어부(361)에서 입력되는 값에 대하여 밸브들(314, 333, 334, 335)이 퍼센테이지로 조절될 수 있다.
상술한 바에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기(300)는 연료전지에 투입되는 연료의 개질이 진행된 이후에 발생되는 이산화탄소를 포집함으로써 지구온난화에 지대한 영향을 미칠 수 있는 이산화탄소를 저감시킬 수 있고, 상기 포집된 이산화탄소를 이용하여 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨으로 변환시킴으로써 다른 유용한 물질로의 자원화가 가능하다.
한편, 도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 수소생성기(400)는 상기 반응기(300)로부터 분리된 이산화탄소 반응물 공급받아 이산화탄소 반응물을 이용하여 수소를 생성하며, 생성된 수소를 상기 연료전지(100)에 공급할 수 있다. 이를 통해, 종래 기술 대비 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있음은 물론, 이산화탄소를 최대한 활용할 수 있다.
상기 수소생성기(400)에 대하여 구체적으로 설명하기 위해, 이하 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소생성기(400)의 개념도이고, 도 4는 도 3에 도시된 B 부분의 확대도이며, 도 5는 도 3에 도시된 A 부분의 확대도이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 수소생성기(400)는 반응기(도 1의 300)로부터 분리된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 공급하기 위한 이산화탄소 반응물 공급 탱크(431)와, 이산화탄소 반응물 공급 탱크(431)로부터 공급된 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전기 분해의 전해액으로 사용하여 전기 분해를 통해 수소 가스와 산소 가스를 형성하는 수전해셀(440)과, 수전해셀(440)에 전류를 인가하기 위한 전원 인가부(410) 및 인버터(420)를 구비할 수 있다.
이산화탄소 반응물 공급 탱크(431)는 반응기(300)로부터 분리된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 이산화탄소 반응물 유입 유로(422)를 통해 공급받아 전해액으로서 저장하며, 이산화탄소 반응물 공급 탱크(431)에 저장된 이산화탄소 반응물을 수전해셀(440)로 공급하는 전해액 공급 유로(432)와 연결된 이산화탄소 반응물 유입구(424)를 구비할 수 있다. 이산화탄소 반응물 공급 탱크(431)에는 수소생성기(400)의 전기 분해의 전해액인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)의 펌핑을 위한 펌프 등이 마련될 수 있다.
수전해셀(440)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 음극(-) 전극판 및 양극(+) 전극판과, 이들 전극판 사이에 배치되는 전해질막인 격막(442)과, 상기 이산화탄소 반응물 공급 탱크(431)로부터 공급받은 이산화탄소 반응물을 수용하고 수소 저장 탱크(485) 및 산소 저장 탱크(490)과 연결되는 한쌍의 분리된 전해조(430)와, 전해조(430)의 이산화탄소 반응물을 전기분해하여 생성된 수소 가스 및 산소 가스를 배출하는 기체 배출부와, 전기분해에 의해 반응이 일어나지 않은 이온 물질을 배출하기 위한 드레인(450)을 구비할 수 있다.
바람직하게는, 이산화탄소 반응물 공급 탱크(431)에 저장된 이산화탄소 반응물이 전극판과 접촉되는 것을 방지하기 위해 비전도체로 형성된 패킹(445)과, 전원 인가부(410)의 전력에 의하여 선택적으로 이산화탄소 반응물 유입 유로(422)의 개폐 여부를 제어할 수 있는 제어부(미도시)를 더 구비할 수 있다.
이러한 수전해셀(440)은 하기 반응식 3에서와 같이, 양쪽의 전극판이 본 발명의 전해액인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 공급받은 상태에서 전원 인가부(410) 및 인버터(420)에 의해 전력 인가에 의해 DC 모선(421)을 통해서 통전됨에 따라 수소(H2) 가스와 산소(O2) 가스를 발생시키게 된다.
<반응식 3>
환원전극(음극) 반응 :
Na2CO3 + CO2 + 2H2O + 2e- → 2NaOH + 2CO2 + 2OH- + H2
2NaHCO3 + 2e- → 2NaOH + 2CO2 + 2OH- + H2
산화전극(양극) 반응 :
Na2CO3 + CO2 + H2O - 2e- → 2NaOH + 2CO2 + 2H+ + O2
2NaHCO3 - 2e- → 2NaOH + 2CO2 + 2H+ + O2
즉 이때 수전해셀(440)에 공급된 전해액인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)은 음극 전극판 표면에서 해리되면서 수소 가스를 배출하고, 산소 이온이 전해질막인 격막을 통해 이동하여 전자를 방출하면서 양극 전극판 상에서는 산소 가스가 배출되는 것이다. 여기서, 상기 반응식 3에서 반응이 일어나지 않은 이온 물질은 드레인(450)을 통해 수소생성기(400)의 슬러지 회수부(500)로 이송될 수 있다.
상술한 과정을 통해서 수전해셀(440)로부터 배출되는 수소 가스는 수소 배출 유로(470)를 통해서 배출되어 필터 및 압축기를 거치면서 고순도의 수소 가스가 수소 저장 탱크(485)로 저장되고, 저장된 수소 가스는 다시 연료전지(도 1의 100)에 공급함으로써, 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
마찬가지로 수전해셀(440)로부터 배출되는 산소 가스는 산소 배출 유로(475)를 통해서 배출되어 필터 및 압축기를 거치면서 고순도의 산소 가스가 산소 저장 탱크(490)에 저장될 수 있다.
한편, 물을 수전해액으로 사용하는 종래 수전해 기술의 캐소드에서는 환원 과정 중에 반응물로서 OH-라디칼이 생성되며, 상기 OH-라디칼은 애노드에서 산화를 통해 발생되는 산소(O2) 그리고 캐소드에서 환원을 통해 발생되는 수소(H2)와 재결합하기 쉬워 물(H2O)이 생성되기 때문에 결과적으로 수소(H2)의 발생 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
그러나, 본 발명은 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전기 분해의 수전해액으로 사용함으로써, 종래 수전해 기술의 반응에서 분해된 OH-라디칼과 수소(H2) 및 산소(O2)의 재결합을 상기 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)이 방지하여 결과적으로 수소(H2)의 발생 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명에서는 수전해 반응을 통해서 Na+ 이온이 해리되어 있으므로 전기전도도 증가로 인한 수소(H2) 가스의 생성량도 증가될 수 있어 종래 기술의 문제점을 해소할 수 있는 효과를 가진다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법을 보여주는 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법은, 연료전지를 제공하는 A단계(S601), 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하는 B단계(S620), 이산화탄소를 포집 및 자원화하는 C단계(S630), 이산화탄소 반응물을 이용하여 수소를 생성하는 D단계(S640), 및 생성된 수소를 연료전지에 공급하여 전력을 생성하는 E단계(S650)를 포함할 수 있다.
상기 A단계(S610)는 구체적으로 전력을 생성하기 위해 수소를 필요로 하고, 물을 생성하는 연료전지(100)를 제공한다.
상기 B단계(S620)는 구체적으로 탄화수소 개질기(200)가 상기 A단계(S610)에서 상기 연료전지(100)로부터 생성된 물과 외부로부터 투입된 탄화수소를 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하고, 상기 기체 혼합물로부터 수소 가스를 추출하여 연료전지(100)에 공급하고, 상기 생성된 기체 혼합물 중에서 상기 수소 가스와 분리된 이산화탄소 가스를 반응기(300)에 공급할 수 있다.
또한, 상기 B단계(S620)에서는, 탄화수소 개질기(200)에 의한 수증기개질반응을 통해 수소 가스 및 이산화탄소 가스를 포함하는 기체 혼합물을 생성되며, 생성된 기체 혼합물 중에서 수소 가스는 상기 연료전지(100)에 공급될 수 있다.
상기 C단계(S630)는 반응기(300)가 상기 B단계(S620)에서 생성된 이산화탄소 가스를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소 가스를 포집하고 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리할 수 있다. 여기서, 상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 염기성 알칼리 혼합액은, SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O 및 P2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물; Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 및, 사붕산나트륨(Na2B4O7·10H2O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na2SiO3), 수산화칼륨(KOH) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 액상 조성물;을 포함하며, 이는 이산화탄소를 포집 및 변환하여 유용한 물질인 탄소자원을 제조할 수 있다.
또한, 상기 C단계(S630)는 반응기(300) 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만으로 낮아지면 반응기(300)에 포함된 믹서(도 2의 330)에서 밸브(도 2의 335)를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 상기 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단되고, 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 12 내지 13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반응기(300)의 흡수탑(도 2의 310)으로 공급되는 염기성 알칼리 혼합액의 양과 상기 분리기(도 2의 340)에서 나가는 용액의 양이 동일해서 지속적으로 이산화탄소 포집 시스템을 유지할 수 있기 때문에, 상기 흡수탑(도 2의 310)에서 분리기(도 2의 340)로 가는 라인에 설치된 flow meter 값과 동일한 양의 염기성 알칼리 혼합액이 흡수탑(도 2의 310)에 공급되도록 밸브(도 2의 335)(필요시 by-pass 밸브 포함)를 조절하여 net flow를 0로 만드는 것일 수 있다.
상기 D단계(S640)는 수소생성기(400)가 상기 C단계(S630)에서 분리된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전해액으로 사용하여 전기 분해를 통해서 수소 가스 및 산소 가스를 생성할 수 있다. 여기서, 생성된 수소 가스는 다시 연료전지(100)에 공급하여 전력을 생성할 수 있다. 상기 수소생성기(400)의 구성 및 기능에 대해서는 앞서 도 3 내지 도 5에서 상술했으므로 본 실시예에 따른 설명은 구체적으로 하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지에 투입되는 연료의 개질이 진행된 이후에 발생되는 이산화탄소를 포집 및 탄소자원으로 변환함으로써, 연료전지 개질에 있어서 이산화탄소를 제거하는 동시에 다른 유용한 물질인 탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 활용하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 다시 연료전지에 공급함으로써, 연료전지의 발전효율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 전해액을 활용하여 종래 수전해 기술 대비 더 많은 수소를 생성할 수 있는 효과가 있다.
지금까지 본 발명인 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 및 방법에 관하여 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 명세서의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 명세서의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 명세서의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 명세서의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 명세서의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
본 발명은 연료전지에 투입되는 연료의 개질이 진행된 이후에 발생되는 이산화탄소를 효율적으로 저감시킴과 동시에 다른 유용한 물질로 자원화할 수 있는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명인 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템을 종래의 연료전지 발전에 쉽게 적용 가능함으로써, 연료전지 발전소의 탄화수소 개질로 인해 발생하는 이산화탄소를 줄이기 위한 시스템을 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템은 탄소자원으로 변환된 이산화탄소 반응물을 활용하여 수소(H2)를 생성하고 생성된 수소(H2)를 다시 연료전지에 공급함으로써, 연료전지의 발전효율을 향상시킬 수 있다.
이는 연료전지 발전소들을 상대로 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있다.
100: 연료전지
200: 탄화수소 개질기
300: 반응기
310: 흡수탑
311: 이산화탄소 포집부
312: 레벨 인디케이터
313: 버블러
314, 333, 334, 335: 밸브
320: 배가스 배출원
330: 믹서
331: 염기성 알칼리 용액 저장조
332: 급수원
336: 바이패스(by-pass)
340: 분리기
341: 탄소자원 저장소
342: 폐수 처리조
350: 배출부
360: 모니터링부
361: 제어부
400: 수소생성기
410: 전원 인가부
420: 인버터
421: DC 모선
422: 이산화탄소 반응물 유입 유로
423: 슬러지 배출 유로
424: 이산화탄소 반응물 유입구
430: 전해조
431: 이산화탄소 반응물 공급 탱크
432: 전해액 공급 유로
440: 수전해셀
442: 격막
445: 패킹(packing)
450: 드레인(drain)
470: 수소 배출 유로
475: 산소 배출 유로
480: 필터
485: 수소 저장 탱크
490: 산소 저장 탱크
200: 탄화수소 개질기
300: 반응기
310: 흡수탑
311: 이산화탄소 포집부
312: 레벨 인디케이터
313: 버블러
314, 333, 334, 335: 밸브
320: 배가스 배출원
330: 믹서
331: 염기성 알칼리 용액 저장조
332: 급수원
336: 바이패스(by-pass)
340: 분리기
341: 탄소자원 저장소
342: 폐수 처리조
350: 배출부
360: 모니터링부
361: 제어부
400: 수소생성기
410: 전원 인가부
420: 인버터
421: DC 모선
422: 이산화탄소 반응물 유입 유로
423: 슬러지 배출 유로
424: 이산화탄소 반응물 유입구
430: 전해조
431: 이산화탄소 반응물 공급 탱크
432: 전해액 공급 유로
440: 수전해셀
442: 격막
445: 패킹(packing)
450: 드레인(drain)
470: 수소 배출 유로
475: 산소 배출 유로
480: 필터
485: 수소 저장 탱크
490: 산소 저장 탱크
Claims (20)
- 전력을 생성하기 위해 수소를 필요로 하며, 물을 생성하는 연료전지;
상기 연료전지로부터 생성된 물과 외부로부터 투입된 탄화수소를 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하며, 생성된 기체 혼합물에서 수소를 추출하여 상기 연료전지에 공급하는 탄화수소 개질기;
상기 탄화수소 개질기로부터 상기 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하며, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 반응기; 및
상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물을 이용하여 수소를 생성하고, 생성된 수소를 상기 연료전지에 공급하는 수소생성기;를 포함하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 탄화수소 개질기는,
상기 기체 혼합물로부터 수소 및 이산화탄소를 추출 또는 분리하기 위한 추출 수단; 및
상기 추출 수단으로부터 추출된 수소를 상기 연료전지에 공급하고 상기 생성된 기체 혼합물에서 수소와 분리된 이산화탄소를 상기 반응기에 공급하기 위한 전달 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 반응기는,
상기 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 믹서;
상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액과 상기 탄화수소 개질기로부터 전달된 이산화탄소를 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 흡수탑;
상기 흡수탑에서 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 분리기; 및
상기 분리된 이산화탄소 반응물을 자원화하기 위해 저장하는 탄소자원 저장소;를 포함하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 믹서는 염기성 알칼리 용액 저장조에서 공급된 염기성 알칼리 용액과 급수원에서 공급된 물을 혼합시켜 상기 염기성 알칼리 혼합액을 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 염기성 알칼리 용액과 물은 1:1 내지 1:5의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 염기성 알칼리 혼합액의 평균 pH는 pH12 내지 pH13.5인 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 염기성 알칼리 혼합액은,
SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O 및 P2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물;
Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 및,
사붕산나트륨(Na2B4O7·10H2O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na2SiO3), 수산화칼륨(KOH) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 액상 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 흡수탑은 상부에 설치된 다수의 노즐을 통해 상기 믹서로부터 염기성 알칼리 혼합액을 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만으로 낮아지면 상기 믹서에서 밸브를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 상기 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단되고, 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 12 내지 13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 흡수탑은 상기 탄화수소 개질기로부터 전달된 이산화탄소를 하부에 설치된 버블러를 통과하도록 하여 미세 방울이 형성된 이산화탄소와, 상기 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액을 반응시켜 이산화탄소를 포집하는 것을 특징으로 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 반응기는,
상기 흡수탑 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위 및 pH를 모니터링하는 모니터링부; 및
상기 모니터링부에 의해 염기성 알칼리 혼합액의 공급량을 조절하는 제어부;를 추가 포함하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 수소생성기는,
상기 반응기로부터 분리된 이산화탄소 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전해액으로 사용하여 전기 분해에 의해 수소 가스를 생성하는 수전해셀을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템. - 전력을 생성하기 위해 수소를 필요로 하고, 물을 생성하는 연료전지를 제공하는 A단계;
탄화수소 개질기는 상기 A단계에서 상기 연료전지로부터 생성된 물과 외부로부터 투입된 탄화수소를 반응시켜 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성하는 B단계;
반응기는 상기 탄화수소 개질기로부터 상기 B단계에서 생성된 이산화탄소를 전달받아 염기성 알칼리 혼합액과 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하는 C단계;
수소생성기는 상기 반응기에 의해 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 이용하여 수소를 생성하는 D단계; 및
상기 수소생성기는 상기 C단계에서 생성된 수소를 상기 연료전지에 공급하여 전력을 생성하는 E단계;를 포함하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 B단계에서, 탄화수소 개질기에 의한 수증기개질반응을 통해 수소 및 이산화탄소를 포함하는 기체 혼합물을 생성되며, 생성된 기체 혼합물 중에서 수소는 상기 연료전지에 공급되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 C단계에서, 상기 염기성 알칼리 혼합액은,
SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, MgO, MnO, CaO, Na2O, K2O 및 P2O3로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 산화물;
Li, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Cd 및 Pb로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 금속; 및,
사붕산나트륨(Na2B4O7·10H2O), 수산화나트륨(NaOH), 규산나트륨(Na2SiO3), 수산화칼륨(KOH) 및 과산화수소(H2O2)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상의 액상 조성물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 C단계에서, 상기 반응기는 믹서로부터 공급된 염기성 알칼리 혼합액과 탄화수소 개질기로부터 전달된 이산화탄소를 반응시켜 이산화탄소를 포집하고, 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물을 수집하고, 상기 반응물에서 이산화탄소 반응물과 폐용액을 분리하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 C단계는, 상기 반응기 내의 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 90% 미만으로 낮아지면 상기 믹서에서 밸브를 통해 조절되어 염기성 알칼리 혼합액이 투입되고 상기 염기성 알칼리 혼합액의 수위가 100%가 될 경우 투입이 중단되고, 그와 동시에 염기성 알칼리 혼합액의 pH가 12 내지 13.5가 될 때까지 염기성 알칼리 용액과 물을 혼합하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 이산화탄소 반응물은 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 D단계에서, 상기 수소생성기는 상기 반응기에 의해 포집된 이산화탄소를 포함하는 반응물인 탄산나트륨(Na2CO3) 또는 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 전해액으로 사용하여 전기 분해를 통해 수소 가스를 생성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 방법.
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| KR1020220051925A KR20230152326A (ko) | 2022-04-27 | 2022-04-27 | 연료전지용 이산화탄소 포집 및 탄소자원화 시스템 및 그 방법 |
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