KR20240018553A - 연료전지를 이용한 탄소 포집 방법, 장치, 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따르면, 대기 중의 탄소를 포집하기 위한 연료 셀 스택은, 액체 또는 기체 상태의 금속 연료가 공급되는 연료 전극을 포함하는 음극부(anode), 연료 전극에 연결되어 금속 연료를 공급하는 제1 라인, 이산화탄소 및 산소를 포함하는 가스 혼합물이 공급되는 공기 전극을 포함하는 양극부(cathode), 상기 연료 전극 및 상기 공기 전극 사이에서 상기 금속 연료의 산화환원 반응에 의해 생성되는 금속이온을 전달하는 전해질을 포함하는 전해질부, 및 제어부를 포함하고, 상기 전해질부는 전해질을 공급하고 순환시킬 수 있다. 그 밖에 전해질을 공급하고 순환시키기 위한 다양한 실시예가 개시된다.

Description

연료전지를 이용한 탄소 포집 방법, 장치, 및 시스템{METHOD, APPARATUS AND SYSTEM FOR CAPTURING CARBON USING FUEL CELL AND METHOD THEREOF}
본 문서는 연료전지를 이용한 탄소 포집 시스템 및 그 방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로, 금속-공기 전지를 이용하여 공기 중의 이산화탄소를 포집하는 기술에 대한 것이다.
충전 및 방전을 반복할 수 있는 대표적인 2차 전지로서, 리튬 이온 전지는 리튬 산화물이 사용되는 양극, 양극에서 나온 리튬 이온을 가역적으로 흡수 및 방출하면서 외부 회로를 통해 전류를 흐르게 하는 역할을 수행하는 음극, 리튬 이온을 이동시키는 전해액, 내부의 미세한 구멍을 통해 이온만 이동할 수 있게 하는 분리막을 포함한다.
또한, 연료(예: 금속)와 산화제(예: 공기)를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지(fuel cell)가 이용되고 있다. 연료 전지의 화학 반응은 촉매에 의하여 이루어질 수 있다. 연료 전지는 연료가 계속적으로 공급되고 각 부품의 기능이 정상적으로 작동하면 지속적인 발전이 가능할 수 있다.
금속 공기 전지는 음극에 특정 금속(예: 철, 아연, 마그네슘, 알루미늄)을 사용하고, 양극에는 공기극을 사용할 수 있다. 금속 공기 전지는 공기를 양극의 활성물질로 사용하므로 전지 안에 미리 연료를 넣고 사용하는 전지와 비교하여 상대적으로 무게가 가벼울 수 있다.
한편, 최근 증가하고 있는 환경에 대한 관심 속에 탄소직접포집(DAC, Direct Air Capture)과 탄소 포집 및 저장(CCS, Carbon Capture Storage, 이하 본 문서에서 '탄소포집저장'으로 지칭함) 기술이 활발하게 연구되고 있다. 탄소직접포집(DAC)이란 지구 기후 변화의 주범으로 꼽히는 이산화탄소를 기계 및 장치 등을 이용해 화학적, 물리적으로 지구 대기 중에서 직접 포집하여 제거하는 기술 및 이를 응용하거나 포함한 시스템을 의미한다. 탄소포집저장(CCS)이란 배기가스 등의 가스에서 이산화탄소를 물리적 또는 화학적인 방법을 이용해 제거, 포집, 저장, 활용하는 기술 및 시스템을 의미한다.
탄소포집저장(CCS)과 탄소직접포집(DAC)은 지구 기후 변화를 해결하기 위한 직접적인 해결책으로 주목받고 있으며, 상호 보완하여 이용될 수 있다.
본 문서에서는, 지구 기후 변화를 해결하기 위한 방안으로, 탄소포집 기술을 연료전지 기술에 응용하는 방법을 개시한다. 연료전지 시스템을 이용하여 대기 중 탄소의 지속적인 흡수를 위해서는 공급되는 연료의 지속적인 공급과 전지 부산물로 생성되는 탄소 화합물의 제거가 요구된다.
연료 전지는 연료로 금속이 사용될 수 있으며, 일반적인 금속은 상온에서 고체 상태로 존재할 수 있다. 고체 연료는 그 크기로 인해 연료 전지 시스템 내부로 투입하기가 어려울 수 있으며, 단단한 금속의 경우 금속을 쪼개어 투입하기도 어려울 수 있다.
여기에 고체는 상대적으로 액체 또는 기체에 비하여 표면적이 좁기 때문에 연료 전지 시스템 내부에서 공기와 반응성이 낮을 수 있다. 반응성을 높이기 위해 알칼리 금속과 같은 반응성이 상대적으로 높은 금속을 사용할 경우, 연료 전지 시스템 상으로 투입하기도 전에 공기와 반응하여 연료가 소모되거나, 관리가 어려운 한계가 있다.
또한, 연료인 금속과 공기가 반응하여 대기 중에서 포집하고자 하는 탄소를 포함하는 탄소 포집물로서, 탄소 화합물을 생성할 수 있는데, 생성된 탄소 화합물은 양극부 또는 공기 전극에 축적될 수 있다. 공기 전극에 축적된 탄소 화합물은 전기 전도도를 낮춰 전극으로서의 기능을 수행하기 어렵게 만들기 때문에 공기 전극의 주기적인 교체가 필요할 수 있다. 그러나 공기 전극은 연료 전지 시스템의 내부에 있기 때문에 공기 전극만 교체하기 어려울 수 있으며, 나머지 구성들(예: 전해질부, 분리막, 연료 전극)은 상태가 양호함에도 연료 전지 전체를 교체하는 것은 환경적인 면이나 비용 면에서 합리적이지 않을 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 에너지가 소모되고 기술적으로 복잡한 장치가 요구되는 종래의 이온 전지 및 금속-공기 전지 기술의 문제점들을 해결하고, 공기 중의 이산화탄소를 직접 포집하면서 계속적으로 사용할 수 있는 탄소직접포집(DAC) 및 탄소포집저장(CCS) 기능을 갖는 금속-공기 연료 전지가 제공될 수 있다.
한편, 본 개시에서 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 개시에 포함된 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시예에 따르면, 대기 중의 탄소를 포집하기 위한 연료 셀 스택은, 액체 또는 기체 상태의 금속 연료가 공급되는 연료 전극을 포함하는 음극부(anode), 연료 전극에 연결되어 금속 연료를 공급하는 제1 라인, 이산화탄소 및 산소를 포함하는 가스 혼합물이 공급되는 공기 전극을 포함하는 양극부(cathode), 상기 연료 전극 및 상기 공기 전극 사이에서 상기 금속 연료의 산화환원 반응에 의해 생성되는 금속이온을 전달하는 전해질을 포함하는 전해질부, 및 제어부를 포함하고, 상기 전해질부는 전해질을 공급하고 순환시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전해질부는 전해질이 공급될 수 있는 개구 및 상기 개구의 개폐를 제어하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전해질의 공급을 제어하는 전해질 모듈 및 상기 전해질 모듈에 연결된 제2 라인을 더 포함하고, 상기 연료 전극에 공급되는 금속 연료의 종류에 기초하여 상기 제2 라인을 통해 상기 전해질부로 전해질이 유동되는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 라인을 통해 금속 연료 및 아민류를 포함하는 전자화물이 공급되는 경우, 상기 제2 라인을 통해 공급되는 전해질은 상기 제1 라인을 통해 공급되는 전자화물과 상이한 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어부는 상기 공기 전극의 상태에 기초하여 상기 전해질부의 교체 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전해질부의 교체는 상기 제2 라인을 통해 전해질 용액이 공급됨으로써 상기 전해질부의 용액이 교체되는 것을 특징으로 하고, 상기 전해질 모듈은 전해질의 공급을 제어함으로써 전해질을 유지 및 관리하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전해질부는 전해질 용액을 배출하는 제3 라인을 더 포함하는 연료 셀 스택이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전해질부는 상기 연료 전극 및 상기 공기 전극과 분리막부에 의해 구분되어 분리 가능하고, 상기 전해질부의 교체는 상기 전해질부의 카트리지 또는 격실 형태의 교체인 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전해질부는 적어도 하나 이상의 전해질을 포함하고, 상기 적어도 하나 이상의 전해질은 유기계 전해질 및 수계 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전해질부는 제1 전해질부, 제2 전해질부, 상기 제1 전해질부와 상기 제2 전해질부를 분리하는 분리막부, 및 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부에 각각 연결되는 유로를 더 포함하고, 전해질 모듈은 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부 각각의 전해질 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전해질부의 교체는 상기 제1 전해질부, 상기 제2 전해질부, 및 분리막부 중 적어도 하나의 카트리지 교체인 것을 특징으로 하는, 연료 셀 스택이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 전해질부의 교체는 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부 중 적어도 하나의 용액의 교체인 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부 중 적어도 하나의 용액의 교체는 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부 중 적어도 하나에 용액을 공급함으로써 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부 중 적어도 하나의 용액이 교체되는 것을 특징으로 하고, 상기 전해질 모듈은 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부 중 적어도 하나의 전해질 공급을 제어함으로써 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부의 전해질을 각각 유지 및 관리하는 것을 특징으로 하는 연료 셀 스택이 제공될 수 있다.
본 문서에 포함된 일 실시예에 따르면, 종래의 이온 전지 및 금속-공기 전지 기술의 문제점들을 해결하면서도, 또한 공기 중의 이산화탄소를 직접 포집하면서 계속적으로 사용할 수 있는 탄소직접포집(DAC) 및 탄소포집저장(CCS) 기능을 갖는 금속-공기 연료 전지가 제공될 수 있다.
본 문서에 포함된 일 실시예에 따르면, 이산화탄소를 연료로 하여 전기화학적 산화,환원 반응을 통해 신재생 에너지와 재사용 가능한 광물화 자원을 생산함과 동시에 공기 및 배기가스 속의 이산화탄소를 직접 제거하여, 지구 기후 변화 위기의 극복을 위한 탄소 중립 및 탄소 네거티브를 실행하는 개방형 셀(Cell) 금속-공기 연료 전지 및 시스템이 제공될 수 있다.
본 문서에 포함된 일 실시예에 따르면, 이산화탄소를 연료로 사용하여 전기 에너지를 생산하고 동시에 이산화탄소를 포집하면서 공기 전극에서 광물화된 금속 탄산염 자원을 생산하여 획득할 수 있다.
본 문서에 포함된 일 실시예에 따르면, 계속적 사용이 가능한 2차 전지로서 고에너지 밀도를 갖는 금속-공기 전지가 제공될 수 있다. 즉, 본 문서의 금속-공기 연료 전지는 개방형 셀(Cell) 구조를 가짐으로써 계속적으로 연료 금속을 공급하고, 교체 가능한 공기 전극을 포함함으로써 그 방전 과정에서 공기 중의 이산화탄소를 직접 포집하면서 전기를 공급하고 교체되는 공기 전극으로부터 금속 탄산염 자원을 생산하여 상업적, 경제적, 환경적 관점에서 기여할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 문서의 탄소 포집 시스템은 공기 전극을 교체할 수 있는 구조로 되어 있어 편리하게 공기 전극만 교체할 수 있다. 또한, 탄소 포집 시스템은 탄소 화합물을 외부로 배출하여 공기 전극의 교체 주기를 늘려 공기 전극의 성능 저하에 따른 교체의 번거로움을 줄이고, 공기 전극의 교체에 따른 비용을 감소시킬 수 있다.
본 문서의 탄소 포집 시스템은 액체 또는 기체 상태로 변한 금속 연료(예: 나트륨)를 압력을 이용해 공급하여, 고체 상태로 공급시킬 때보다 연료의 반응 속도를 상승시키고, 연료 투입 과정을 더 편리하게 만들 수 있다.
본 문서의 탄소 포집 시스템은 액체 또는 기체 상태의 금속을 탄소 포집 시스텝 내부로 투입하기 전까지 외부와 차단하여 연료의 반응 및 손상을 방지할 수 있다.
본 문서의 탄소 포집 시스템 및 방법은 연료 전지가 SOFC(solid oxide fuel cell) 또는 MCFC(molten carbonate fuel cell)의 형태로 구성되는 상황에서, 공급되는 연료의 상태만 액체 또는 기체로 변경하는 것이므로 기존 연료 전지 스택 및 시스템에서도 그대로 적용될 수 있다.
본 문서의 탄소 포집 시스템은 연료 전지의 발전으로 만들어진 열 또는 에너지를 방출하는 것이 아니라, 연료 전지의 상태 변환에 활용하여 열 공급에 따른 비용을 절감시킬 수 있다.
본 문서의 탄소 포집 시스템 및 방법은 기존의 연료(예: 수소, 도시가스, LNG, 바이오매스)와 동일한 연료 전지 스택 및 시스템을 사용하지만, 기존의 연료와 비교하여 상대적으로 반응성이 높은 금속 연료(예: 알칼리 금속)를 사용하여 연료와 공기의 반응을 높일 수 있다. 탄소 포집 시스템 및 방법은 금속 연의 높은 반응성으로 인해 공기 전극에서 화학 반응성을 높이기 위해 사용되었던 상대적으로 값비싼 재료들(예: 귀금속)을 사용하지 않아도 되므로 비용을 절감할 수 있다.
본 문서의 탄소 포집 시스템 및 방법은 비용 절감을 통해 연료 전지의 제조 단가를 낮추면서, 탄소 포집을 위한 비용을 절감시킬 수 있다.
한편, 본 개시의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 개방형 셀(Cell) 금속-공기 연료 전지의 구성도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 화합물이 축적되어 성능이 저하된 양극부를 교체하는 것을 나타내는 참고도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 음극부의 연료 전극에 금속을 액체 또는 기체의 유체 형태로 계속적으로 공급하는 방식을 도시한 참고도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 음극(Anode)부와 전해질부를 하나의 모듈로 통합한 구조를 도시한 참고도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 금속염의 형태로 금속 이온을 공급하는 금속염-공기 연료 전지를 나타내는 참고도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른, 소금-공기 연료 전지를 도시한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 포집 시스템의 예시적인 구성을 블록도로 나타낸 것이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 셀 스택의 구성을 블록도로 나타낸 것이다.
도 9a 및 도 9b는 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 셀 스택(140)의 구조를 도시한 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 포집 시스템 내 에어 카트리지로 공기를 포집하기 위한 구성을 나타낸 것이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 포집 시스템 내 연료 카트리지에서 연료 셀 스택으로 연료를 공급하기 위한 구성을 나타낸 것이다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 포집 시스템 내에서 연료와 공기가 반응하여 탄소를 포집하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지를 이용한 탄소 포집 방법을 흐름도로 나타낸 것이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
본 문서에서 사용한 용어는 본 개시에 포함된 발명의 개념 및 그에 따른 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 해당 용어의 사전적 또는 어구적 의미만으로 한정하려는 의도가 아니다. 예를 들어, 본 문서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한, 본 문서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 어느 구성, 단계, 동작 또는 이들을 조합한 것의 존재를 의미하며, 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 다른 구성, 단계, 동작의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는다.
본 문서에서 달리 언급되지 않는다면, "접속되는" 또는 "연결되는" 은 하나의 엘리먼트/특징이 다른 엘리먼트/특징과 직접적으로 접속 또는 연결되는 것 또는 타 엘리먼트/특징을 개재하여 간접적으로 접속 또는 연결되는 것을 포함할 수 있고, 반드시 기계적으로 바로 접속 또는 연결되는 것만을 의미하는 것은 아니다. 따라서, 도면들에 도시된 다양한 모식도들은 엘리먼트들과 컴포넌트들의 예시적인 배열들을 도시하지만, 추가의 중재 엘리먼트들, 디바이스들, 특징들 또는 컴포넌트들이 실제 실시형태에서 존재할 수 있다.
일반적으로, 대기 중의 이산화탄소는 그 농도가 적어 탄소직접포집을 실현하기 어려우며, 대기 중 이산화탄소를 직접 포집하기 위해서는 많은 에너지가 소모될 수 있다. 이 때 사용되는 에너지를 생성하기 위해서 화석 연료를 이용하는 경우, 대기 중 탄소가 증가하게 되므로, 포집한 이산화탄소의 양보다 이산화탄소를 포집하기 위해 생성된 이산화탄소의 양이 더 많은 문제가 발생할 수 있다. 또한, 탄소포집저장 기술을 통해 포집한 이산화탄소가 기체 형태로 포집된 경우, 유전 주입 또는 지반 매립 등의 방법을 이용하게 되는데, 이 경우 재유출 등의 문제가 발생하여 실질적인 탄소 절감이 불가할 수 있다.
본 개시에 따른 탄소 포집 시스템은 탄소를 안정적인 고체 상태의 탄소 화합물 형태로 포집하게 되므로 매립 등 취급이 용이하여 대기 중의 탄소를 실질적으로 감축할 수 있다.
이하에서는, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지 시스템을 이용하여 탄소를 포집하는 원리에 대하여 설명한다.
전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로서, 음극(Anode), 양극(Cathode), 분리막, 및 전해질부를 포함할 수 있다. 음극은 산화 반응에 의해 전자를 제공하므로 “연료전극” 또는 "산화 전극"이라고 하며, 자유 전자가 풍부한 아연, 납, 카드뮴, 리튬과 같은 금속이 사용될 수 있다. 양극은 음극에서 전자를 받고, 전해액을 통해 전달되는 이온을 받아 환원반응을 일으키는 전극으로서("환원 전극"), 이온을 받아들일 수 있는 공간이 충분한 산화물, 황화물 등의 세라믹이 주로 양극의 소재로 사용될 수 있다. 양극과 음극이 접촉하면 화학 반응에 의해 열이 발생하면서 발화될 수 있기 때문에 양극과 음극의 접촉을 막기 위해 분리막이 추가로 필요하며, 전해질부는 이온 전도의 매개체로 수소 이온이나 금속 이온이 이동하는 통로 역할을 할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 개방형 셀(Cell) 금속-공기 연료 전지의 구성도이다.
본 개시의 일 실시예에 따른 금속-공기 전지의 방전은 금속-공기 간의 전기화학적인 산화환원 반응을 통해서 자발적으로 이루어진다. 금속-공기 전지에서 음극부는 연료 전극으로서 연료로서 공급되는 금속을 포함할 수 있고, 양극부는 공기가 공급되는 공기 전극을 포함할 수 있다.
음극부 또는 산화 전극에서 금속(M)이 이온화되고, 이온은 전해질을 통해, 전자는 전선을 통해 흐르게 된다. 양극부에서는 산소의 환원반응으로 인한 초과산화산소종(Superoxide)의 생성반응을 시작으로, 금속과 공기 중의 산소 및 이산화탄소 간의 화학 반응을 통해 탄소 포집 생성물이 생성될 수 있다. 생성된 탄소 포집 생성물은 탄소 화합물로서, 금속 탄산염(Na2CO3와 같은 Ma(CO3)b)을 포함할 수 있다. 한편, 본 개시의 연료 전지를 통해 생성되는 탄소 포집 생성물은 금속 탄산염 이외에도, 일산화탄소(CO), 포름산(HCOOH), 포름알데히드(CH2O)를 포함한 탄소 원자 1개로 구성된 C1 화합물, 및 에틸렌(C2H4), 에탄올(C2H5OH) 등의 탄소 원자 2개로 구성된 C2 화합물 등을 포함할 수 있으며, 상기의 예시 외에도 탄소 원자를 포함하는 유기 화합물이 탄소 포집 생성물로서 생성될 수 있다.
상기 반응에서 생성되는 탄소 화합물은 공기 전극(양극)에 불규칙으로 형성될 수 있다. 생성된 탄소 화합물은 비전도성과 높은 안정성으로 낮은 반응성을 갖게 되어 전기화학적인 분해가 제한되므로, 탄소를 안정적으로 포집할 수 있다.
본 개시에서 생성되는 고체 금속 탄산염은 중요한 광물 자원 내지는 화학 재료이며 재가공하거나 산업용으로 사용할 수 있고, 또는 금속 탄산염을 재가공하여 본 개시의 실시예에 따른 연료 전지의 금속 연료로 재사용 할 수도 있다.
또한 고체 금속 탄산염은 땅에 매립하더라도, 광물화된 고체이기 때문에 토양의 변형, 균열, 침식, 지반 이동, 지진 등의 요인으로 인해 포집한 이산화탄소가 공기 중으로 재유출될 가능성을 낮출 수 있다. 즉, 본 개시에 의해 획득되는 금속 탄산염은 고체이기 때문에 기체에 비해 취급이 용이하고 그 결과 매립, 취급 및 유통에 있어서 경제성과 편의성 등의 이점이 있다. 따라서 이산화탄소 포집 결과물을 취급, 유통하는 과정에서 발생할 수 있는 에너지 소비와 그로 인한 추가적인 탄소 발생량을 감축할 수 있는 추가적인 효과가 있다.
본 개시의 금속-공기 간의 산화 환원 반응을 통해 최종적으로 전기 에너지와 탄소 화합물(예를 들어, 금속 탄산염)이 생성될 수 있고, 탄소 포집이 수행될 수 있다. 본 개시에 따르면, 금속 연료의 계속적인 공급 및 공기 전극의 교체를 통해 지속적으로 탄소를 포집할 수 있으며, 생성된 전기 에너지를 탄소 포집 프로세스에 직접 이용함으로써 에너지 효율 향상 및 실제적인 탄소 네거티브를 실현할 수 있다.
도 1을 참조하면, 연료 전극(금속 전극)을 포함하는 음극(Anode)부, 공기 전극을 포함하는 양극(Cathode)부, 전극들 사이에 존재하는 중간 전달체로서의 금속이온을 전달하는 전해질부(유기, 무기, 고체, 액체 각각 또는 이들의 혼합 등 가능한 전해질 구성의 조합 전부를 포함할 수 있음) 및 이들 각 구성요소를 분리하는 분리막부를 포함하는 개방형 셀(Cell) 금속-공기 연료 전지 및 시스템이 개시된다. 여기서 분리막부는 세퍼레이터 기능을 수행하는 임의의 분리막이 될 수 있다. 일 실시예에서 전해질부는 분리막부와 일체로 형성될 수 있다. 또한, 일 실시예에서 전해질부 및/또는 분리막부는 복수 개 존재할 수도 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 금속-공기 연료 전지는 이산화탄소를 포함하는 금속-공기 연료 전지의 외부 기체가 유입되는 제 1 개구 및 금속 연료인 금속이 유입되는 제 2 개구를 포함할 수 있다. 양극부는 제 1 개구를 통해 유입된 외부 기체로부터 이산화탄소를 공급받을 수 있다. 또한, 음극부는 제 2 개구를 통해 금속 연료인 금속을 공급받을 수 있다.
본 개시의 개방형 셀(Cell) 금속-공기 연료 전지 및 시스템은 금속과 이산화탄소/산소를 연료로 하여 전기 에너지를 생산하고 공기 중의 이산화탄소를 직접 포집하여 제거할 수 있다.
도 1을 참조하면, 연료 전극인 음극부(Anode)는 금속 연료로서 계속적인 금속 공급이 가능하여야 한다. 공기 전극인 양극부(Cathode)에는 계속적으로 산소 및 이산화탄소가 포함된 기체(예를 들어, 공기)가 공급이 되어야 한다. 양극과 음극 사이에는 양 전극 사이에서 금속이온을 이동시킬 수 있는 전해질부가 존재할 수 있다. 전해질부는 액체 상태의 전해질을 사용할 경우 전해질부에 계속적으로 전해질을 공급하고 순환시키는 구성을 포함할 수 있다. 본 개시의 음극부, 전해질부, 양극부는 분리막을 통해 상호 분리되어 존재할 수 있다.
본 개시의 연료 전지에서 금속 연료로 공급되는 금속은, 금속-공기 연료 전지에 적합한 반응성과 전도성을 가진 임의의 물질 및 형태가 이용될 수 있다. 임의의 물질 및 형태는, 예를 들어, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr) 등의 알칼리 금속이나, 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 망간(Zn), 구리(Cu), 납(Nb), 은(Ag), 니켈(Ni), 카드뮴(Cd) 또는 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또는, NaK와 같은 합금 화합물도 연료로 사용될 수 있다. 상기의 나열된 물질은 예시일 뿐, 금속-공기 연료 전지에 적합한 반응성과 전도성을 가진 임의의 물질 및 형태가 이것으로 한정되는 것은 아니다. 금속 연료는 후술하는 바와 같이 음극부에 공급되어 산화 반응을 통해 음극에서 이온화될 수 있다.
음극(Anode)부는 연료 전극으로서 산화 반응이 일어나는 음극으로서 기능할 수 있다. 금속 연료는 음극에 공급될 수 있다.
양극(Cathode)부는 공기(Air) 전극으로서 환원 반응이 일어나는 양극으로서 기능할 수 있다. 양극부에는 공기(Air)가 공급될 수 있다.
연료 전극(음극) 및 공기 전극(양극)은 금속-공기 연료 전지에 적합한 반응성, 전도성 또는 반도체성을 가진 임의의 물질 및 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 탄소를 주성분으로 하는 탄소 전극이 될 수 있고, 탄소 이외의 기타 전도성을 가진 물질과 금속을 포함하는 복합 소재로서 구현될 수도 있다. 일 실시예에서 연료 전극(음극)과 공기 전극(양극)은, 금속, 흑연, 금속-탄소 복합체, 단일소재 및 복합소재, 실리콘 기반의 촉매 복합체, 촉매 전극, 반도체성 물질 전극, 고분자 전극, 나노소재 전극, 금속 매쉬 형태 전극, 유기/무기 복합소재 전극, 액체 형태의 전극, TMD(transition metal dichalcogenides) 전극, 그래핀전극, 탄소나노튜브(CNT) 전극, 산화금속 종 전극 등을 포함할 수 있다. 또한 본 개시의 연료 전극(음극)과 공기 전극(양극)으로는 알려진 2차 전지, 연료 전지의 전극 소재나 집전체 소재를 사용할 수 있으며, 내화학성과 내부식성이 있는 것이 바람직하다. 이는 일 예시일 뿐, 연료 전극(음극) 및 공기 전극(양극)으로 사용되는 물질이 이것으로 한정되는 것은 아니다.
중간 전달체로서 금속이온을 전달하는 전해질부는 금속-공기 연료 전지에 적합한, 양극과 음극 사이에서 금속 이온을 전달할 수 있는 성질을 가진 임의의 물질 및 형태가 이용될 수 있다. 전해질부는 고체 전해질, 겔상태의 전해질, 수용성 전해질, 유기계 전해질 등을 포함할 수 있고, 이들을 하나 이상 포함하는 복합 전해질 형태로 구성될 수도 있다. 여기서 복합 전해질은 본 개시의 연료 전지에 사용되는 금속 연료의 산화된 양이온의 이동/교환이 가능한 것이어야 하며, 이온 전도성이 우수해야 한다. 또한 바람직하게는 내부식성/내화학성이 우수한 물질 및 소재를 사용하는 것이 좋다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 전해질부는 연료 전극 쪽에 위치하는 제1 전해질과 공기 전극 쪽에 위치하는 제2 전해질을 포함할 수 있다. 이 때, 제1 전해질은 유기계 전해질을 포함할 수 있고, 제2 전해질은 수계 전해질을 포함할 수 있다. 즉, 본 개시의 전해질부는 혼합(하이브리드) 전해질로 구성될 수 있다.
본 개시의 전해질부에 사용될 수 있는 물질로, LiSICON, NaSICON 등 본 개시의 연료 전지에서 사용되는 금속 연료 이온의 이동과 교환이 가능한 고체형태의 분리막/전해질 물질, 나트륨(Na) 금속 연료 사용시 사용 가능한 베타알루미나 물질, 기타 산화알루미늄 물질, LiS, NaS, KS 등 본 개시에 사용되는 금속 연료와 황(S), 셀레늄(Se), 텔루륨(Te), 폴로늄(Po), 리버모륨(Lv) 포함한 황화물계 및 칼코게나이트 계열 물질, PEO 등의 유기 물질을 활용한 고체 고분자 전해질 물질, 본 개시에 사용된 금속 연료와 BnHn 음이온으로 구성된 수소화붕소계 전해질 물질, 2차 전지에 사용되는 금속염과 유기용매, 첨가제 등으로 구성된 유기계 전해질 물질 중에서 적어도 하나 또는 이들이 혼합된 복합 물질을 사용할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 개시의 실시예에 사용될 수 있는 유기계 전해질은 다음의 물질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 하기의 예시에 제한되지 않는다.
- 고리형 카보네이트 종류 : 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌 카보네이트(propylenecarbonate, PC), 부틸렌 카보네이트(butylene carbonate, BC), 비닐에틸렌 카보네이트(VEC) 등
- 사슬형 카보네이트 종류 : 에틸렌 카보네이트(Ethylene carbonate), 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate), 디메틸 카보네이트(Dimethyl carbonate), 에틸메틸 카보네이트(Ethylmethyl carbonate), 디에틸 카보네이트(Diethyl carbonate) 등
- 에테르계 물질 : 1,2-디메톡시에탄(1,2-dimethoxyethane), 1,3-디옥솔란(1,3-dioxolane), 디에틸렌 글리콜 디메틸 에터(Diethylene glycol dimethyl ether), 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에터(tetraethylene glycol dimethyl ether), 디부틸 에테르, 테트라글라임, 디글라임, 디메톡시에탄, 2-메틸테트라히드로퓨란, 테트라히드로퓨란 등
- 에스테르계 물질 : 메틸아세테이트, 아세테이트, n-프로필아세테이트, 디메틸아세테이트, 메틸프로피오네이트, 에틸프로피오네이트, γ-부티로락톤, 데카놀라이드(decanolide), 발레로락톤, 메발로노락톤(mevalonolactone), 카프로락톤(caprolactone) 등
- 알코올계 물질 : 메틸알콜, 에틸알코올, 이소프로필 등
- 아민류 물질 : 에틸렌디아민, 프로필렌디아민, 메틸렌디아민, 에틸아민, 1,2-디메톡시에탄, 헥사메틸렌이민, 디-이소프로필아미드, 디-에탄올아민, 올리에틸렌아민 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 액체 암모늄계 물질, 또는, 에틸렌디아민테트라아세트산, 디에틸렌트리아민펜타아세트산, 디아미노하이드록시프로판테트라아세트산, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 것, 또는 테르라하이드로퓨란, 다이메틸설폭사이드, 헥사메틸포 스포러아마이드, 디에틸아민, 트리에틸아민, 디에틸렌트리아민, 톨루엔 디아민, m-페닐렌디아민, 디페닐메탄디 아민, 헥사메틸렌디아민, 트리에틸렌테트라아민, 테트라에틸렌펜타아민, 헥사메틸렌테트라아민, 에탄올아민, 다 이에탄올아민, 트리에탄올아민, 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택되는 용매화 전자(solvated electron) 형성이 가능한 액체 아민류를 포함하는 것 등
- 기타 물질 : 피롤리디늄 (pyrrolidinium), 알킬암모늄(alkyl ammonium), 피페리디늄(piperidinium), 이미다졸륨(imidazolium), 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide), 피리디늄 (pyridinium), 이미다졸륨(imidazolium), 피롤리디늄 (pyrrolidinium), 암모늄(ammonium), 포스포늄 (phosphonium), 설포늄(sulphonium), 1,2-디옥솔란, 설포란, 메틸 설포란, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, N-메틸-2-피롤리디논, 포름아미드, 디메틸포름아미드, 아세토니트릴, 니트로메탄, 인산트리메틸, 인산 트리에틸, 인산트리옥틸, 인산 트리에스테르 플루오로에틸렌 카보네이트(FEC), 4,5-디플루오로에틸렌카보네이트, 4,4-디플루오로에틸렌카보네이트, 4,4,5-트리플루오로에틸렌카보네이트, 4,4,5,5-테트라플루오로에틸렌카보네이트, 4-플루오로-5-메틸에틸렌카보네이트, 4-플루오로-4-메틸에틸렌카보네이트, 4,5-디플루오로-4-메틸에틸렌카보네이트, 4,4,5-트리플루오로-5-메틸에틸렌카보네이트, 트리플루오로메틸에틸렌카보네이트 등
본 개시의 실시예에 사용될 수 있는 수계 전해질은 다음의 물질 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 하기의 예시에 제한되지 않는다.
- Ma(CO3)b 를 포함한 탄산염계열
- Ma(OH)b를 포함한 수산화물계열
- MaOb를 포함한 산화물계열
- MaXb 등의 할로젠원소를 포함한 계열 (이때, X는 플루오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 아이오딘(I), 아스타틴(At), 테네신(Ts) 중 어느 하나를 포함함)
- 기타, 금속(M) 양이온과 이온 결합하는 음이온(BF4 -, CN-, PF6 -, AsF6 -, N(CN)2 -, SbF6 -, AlCl4 -, HSO4 -, ClO4 -, SO4 -, CF3SO3 -, CF3CO2 -, (C2F5SO2)(CF3SO2)N-, NO3 -, Al2Cl7 -, CH3COO-, CH3SO3 -, TFSi-, (CF3SO2)3C-, (CF3CF2SO2)2N-, (CF3SO2)2N-, (FSO2)2N-, (CF3)2PF4 -, (CF3)3PF3 -, (CF3)4PF2 -, (CF3)5PF-, (CF3)6P-, SF5CF2SO3 -, SF5CHFCF2SO3 -, CF3CF2(CF3)2CO-, (CF3SO2)2CH-, (SF5)3C-, (C2F5SO2)(CF3SO2)N- 및 (O(CF3)2C2(CF3)2O)2PO- 등)을 포함하는 이온성 물질
여기서 M은 본 개시의 연료 전지의 연료로 사용되는 금속을 의미하며, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr) 등의 알칼리 금속이나, 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra), 알루미늄(Al), 주석(Sn), 망간(Zn), 구리(Cu), 납(Nb), 은(Ag), 니켈(Ni), 카드뮴(Cd) 또는 철(Fe) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
분리막부는 금속-공기 연료 전지에 적합한, 금속 이온의 이동 경로를 제공할수 있다. 분리막부는 양극과 음극을 포함한 구성요소 사이의 분리 기능을 갖는 임의의 물질 및 형태가 이용될 수 있다. 분리막부로 사용될 수 있는 물질 및 형태는 예를 들어, 고분자 분리막, 맴브레인 분리막, 무기 분리막, 복합 분리막, 이온투과 분리막 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이는 일 예시일 뿐, 분리막부로 사용될 수 있는 물질 및 형태가 이것으로 한정되는 것은 아니다. 분리막부는 필요에 따라 전해질부에 통합될 수도 있다. 분리막부는 물리적으로 음극부, 전해질부 및 양극부를 분리시키고, 이온 형태의 물질만 이동하도록 제어할 수 있다.
한편, 전해질부가 수계 전해질과 유기계 전해질을 함께 포함하는 경우, 전해질부는 수계 전해질과 유기계 전해질을 분리하는 분리막을 포함할 수 있다. 이때 수계 전해질과 유기계 전해질을 분리하는 분리막은 연료로 사용되는 금속의 이온만 투과하는 이온 전도성을 가진 물질이 이용될 수 있다. 그러한 분리막 물질의 예시로, 황화물계, 산화물계, 고분자 전해질, 겔 형태 전해질, 액체 전해질이 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
금속-공기 연료 전지는 음극부에 금속 연료로서 적어도 하나의 금속을 계속적으로 공급하고, 양극부에 산소 또는 이산화탄소 중 적어도 하나를 포함한 기체를 계속적으로 공급할 수 있다. 금속-공기 연료 전지의 음극부에서는 금속 연료인 금속의 이온화 반응이 일어나고, 양극부에서는 산소 및/또는 이산화탄소의 전기화학적인 산화환원 반응이 일어날 수 있다. 양극부에서는 산화 환원 반응을 거쳐 전기 에너지와 금속 탄산염을 포함한 탄소 화합물이 생성될 수 있다.
이때 양극부에 생성되는 탄소 화합물의 축적으로 인해, 양극부의 성능이 저하될 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따르면, 양극부의 성능이 저하되는 경우 양극부 또는 공기 전극은 교체될 수 있다. 즉, 본 개시의 양극부 또는 공기 전극은 탈부착식으로 일정 조건을 만족하는 경우 탈거되어 새로운 전극으로 교체될 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 화합물이 축적되어 성능이 저하된 양극부를 교체하는 것을 나타내는 참고도이다.
본 개시의 금속-공기 연료 전지는 성능이 저하된 공기 전극을 갖는 양극(Cathode)부를 교체하거나, 또는 성능이 저하된 공기 전극을 교체하여 금속-공기 연료 전지의 성능을 유지 또는 상승시킬 수 있다. 본 개시의 다양한 실시예에 따르면, 양극(Cathode)부 또는 공기 전극은 전해질부 및/또는 분리막부와 통합되어 같이 교체될 수도 있다. 또는 양극부, 공기 전극, 전해질부 또는 분리막부 각각이 교체 가능하도록 모듈로서 구성될 수도 있다.
이를 위하여 본 개시의 일 실시예에서는 양극(Cathode)부 또는 공기 전극이나 전해질부, 분리막부의 각각, 또는 이들 중 하나 이상의 통합체의 교체를 위한 구조나 장치가 포함될 수 있다. 일 실시예에서 교체 가능한 양극부, 공기 전극, 전해질부, 분리막부 및/또는 그 통합체는 알려진 카트리지 교환 방식이나 필터 교환 방식으로 교체되는 구조로서 연료 전지에 형성될 수 있다. 이를 위하여 카트리지 또는 필터가 삽입되는 슬롯과 그 슬롯과 연통하는 개구가 구비될 수 있다.
음극(Anode)부에 금속 연료로서 공급되는 금속은 다양한 형태(예: 액체, 고체 또는 기체)를 가질 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따르면 공급되는 금속은 액체, 또는 기체 형태로 공급될 수 있다.
본 개시에서 음극부에서 양극부로 금속이온을 전달하는 전해질부는 액체 전해질을 사용할 경우 액체 상태의 전해질이 계속 공급되고 순환하는 구조를 가질 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따르면, 전해질부에 포함되는 전해질은 외부로부터 계속 공급될 수 있고, 교체할 수도 있다.
일 실시예에서 본 개시의 전해질부는 본 개시의 금속-공기 전지의 동작 온도가 고온일 경우에 고체 전해질로 구성할 수 있고, 금속-공기 전지의 동작 온도가 저온일 경우에 액체 전해질로 구성할 수도 있다. 일 실시예에서 전해질부는 고분자 전해질, 겔 전해질 등으로 구성할 수도 있다.
본 개시의 분리막부는 전해질부에 통합되어 존재할 수도 있으며, 예를 들면 전해질부의 각 전극과의 접촉면에서 전해질부에 구비되는 형식으로 존재할 수 있다. 또는 전해질부와 각 전극 사이에 분리막이 불필요할 경우 생략될 수도 있다.
앞서 설명된 금속-공기 연료 전지의 구조는 일 예시일 뿐, 작동 온도, 작동 조건, 음극부, 양극부, 전해질부의 재료와 구조 또는 형태에 따라 금속-공기 연료 전지의 구조는 다르게 결정될 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 음극부의 연료 전극에 금속을 액체 또는 기체의 유체 형태로 계속적으로 공급하는 방식을 도시한 참고도이다.
도 3을 참조하면, 본 개시의 금속-공기 연료 전지는 방전 과정에서 소비되는 연료 전극에서의 금속을 금속 연료로서 유체 형태의 금속으로 보충함으로써 연료 전지로서 계속 동작할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 음극(Anode)부와 전해질부를 하나의 모듈로 통합한 구조를 도시한 참고도이다.
도 4를 참조하면, 통합 모듈은 금속 공급부를 포함할 수 있고, 금속 공급부를 통하여 금속 연료를 계속 공급할 수 있다. 통합 모듈 내에서 금속 공급부는 전해질부와 분리막에 의해 물리적으로 구분될 수 있다.
한편, 본 개시의 일 실시예에 있어서 연료 전지는 연료 전극을 통한 금속의 직접 공급 대신, 소금 등의 금속염의 형태로 금속 이온을 공급하는 금속염-공기 연료 전지의 구조를 가질 수 있다. 또는, 금속 연료 전극을 포함하는 본 개시의 일 실시예에 따른 금속-공기 연료전지와 통합되어 실시될 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 금속염의 형태로 금속 이온을 공급하는 금속염-공기 연료 전지를 나타내는 참고도이다.
도 5를 참조하면, 금속염-공기 연료 전지는 음극부, 전해질부, 양극부 및 이들을 분리하는 분리막을 포함할 수 있다.
음극(Anode)부에는 음극으로서 탄소 전극, 탄소촉매 전극, 백금 전극 등의 고효율의 전극이 사용될 수 있다. 음극부는 전해질부에 공급되는 금속염의 금속을 포함할 수 있다.
양극(Cathode)부에는 공기 전극이 구비되며, 산소/이산화탄소를 포함한 기체가 계속적으로 공급될 수 있다.
전해질부에는 전해질에 금속 이온이 금속염의 형태로 공급될 수 있다. 여기서 금속염은 전술한 본 개시의 금속-공기 연료 전지에서 연료 전극에 공급되는 금속 연료와 같은 금속의 금속염이 될 수 있다.
금속염-공기 연료 전지에서 금속염의 형태로 공급되는 금속 이온은, 금속염-공기 연료 전지에 적합한 반응성과 전도성을 가진 임의의 물질 및 형태가 이용될 수 있으며, 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 루비듐(Rb), 세슘(Cs), 프랑슘(Fr) 등의 알칼리 금속, 또는 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra) 등의 알칼리 토금속, 또는 알루미늄(Al), 주석(Sn), 망간(Zn), 구리(Cu), 납(Nb), 은(Ag), 니켈(Ni), 카드뮴(Cd), 철(Fe) 등이 금속 이온으로 사용될 수 있으나, 나열된 금속으로 제한되는 것은 아니다. 사용되는 금속염은 일 예시일 뿐, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서 금속염으로는 염화물, 수산화물, 탄산화물 등 이온결합에 의한 금속염을 사용할 수 있다. 본 개시에서 사용되는 염은 염소 음이온 및 수산화 음이온, 탄산 음이온 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
금속염은 전해질부에 염의 형태로 직접 공급되며, 전해질에 용해되어 금속 양이온과 염의 음이온이 된다. 일 실시예에 있어서는 전해질부에 구비된 개구에 연결된 유로를 통해 금속염이 용해된 전해질 또는 금속염이 추가될 수 있다. 일 실시예에서는 이러한 금속염의 공급을 조절하기 위해 개구 및/또는 유로를 개폐하거나 공급량 제어하는 수단이 구비될 수 있다.
공급된 금속 양이온은 양극(Cathode)부로 이동하고, 양극부에서는 이산화탄소의 환원 반응(CO2 Reduction Reaction) 및 기타 추가적인 반응들이 일어나고, 이로써 금속 탄산염(Ma(CO3)b) 등의 탄소 화합물이 생성될 수 있다.
염의 음이온은 음극부(Anode)부로 이동하여 전자를 잃고 산화되어 부산물을 생성해 낼 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른, 소금-공기 연료 전지를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 금속보다 저렴하고 풍부한 소금 등과 같은 금속염을 공급 연료로 사용함으로써 연료 전지의 유지 및 발전 비용을 절감할 수 있다.
도 6을 참조하면, 전술한 산화-환원 반응에 의해 공기 전극(양극부)에서는Ma(CO3)b(예: Na2CO3)가 부산물로 생성되어 탄소가 포집될 수 있고, 금속염-공기 전지의 전지 효율이 떨어지는 경우, 전해질부를 교체하거나, 새로운 공기 전극으로 교체할 수 있다.
한편, 본 개시의 다양한 실시예에 따르면 전술한 금속-공기 연료 전지 또는 금속염-공기 연료 전지 이외에도 다른 연료 전지를 이용하여 탄소를 포집하는데 사용할 수 있다. 본 개시에서 이용하는 탄소 포집의 원리는 공기와 반응하여 탄소를 환원시킬수 있는 환원제를 이용한 산화 환원 반응이므로, 알칼리 금속과 같은 등의 강력한 환원성을 가진 물질이 연료로서 공기 중 탄소 포집에 이용될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 연료 전극에 공급되는 물질은 전자화물(Electride Solution)을 포함할 수 있다.
전자화물(Electride Solution)이란 전자가 음이온인 이온성 화합물로서, 일반적으로 유기 용액과 알칼리 금속의 혼합으로 제조될 수 있다. 전자화물(Electride Solution)의 제조에 사용되는 유기 용액은 암모니와와 같은 아민류를 포함할 수 있다. 한편, 아민류는 전술한 금속-공기 연료 전지 내에서 유기계 전해질로서 작용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전자화물은 금속 연료 및 아민류의 조합으로 생성될 수도 있다. 이 경우, 금속 연료 및 아민류가 조합된 전자화물은 금속-공기 연료 전지 상에 금속 연료로서 공급될 수 있고, 별도의 전해질 없이 아민류를 이용하여 전해질의 역할을 대신할 수도 있다. 예를 들어, 도 4의 예시와 같이, 음극부와 전해질부가 통합된 형태의 연료 전지가 이용되는 경우에 연료로서 전자화물 연료가 사용될 수 있다. 즉, 금속 연료 및 아민류가 조합된 전자화물은 금속-공기 연료 전지 내에서 금속 연료의 역할을 수행하면서 동시에 전해질로서의 역할도 함께 수행할 수 있다. 금속 연료 및 아민류가 조합된 전자화물은 연료 전극(예: 도 12의 연료 전극(1212))과 연결된 라인을 통해 금속 연료로서 공급될 수 있다. 또는, 전자화물 내 아민류가 전해질의 역할을 수행하기 때문에 전해질 모듈(예: 도 12의 전해질 모듈(1224))과 연결된 라인이 별도로 구비되지 않아도 연료 전지 내부로 전해질이 공급될 수 있다. 이 경우, 연료 전지 공급부와 유기계 전해질부가 하나의 형태를 갖거나 또는 전해질 모듈(1224)과 연결된 라인이 연료 전극(1212)과 연결되어 하나의 라인으로 구성될 수 있다. 연료 전지 공급부와 유기계 전해질부가 하나의 형태를 갖거나 또는 전해질 모듈(1224)과 연결된 라인이 연료 전극(1212)과 연결되어 하나의 라인으로 구성되는 경우, 금속-공기 연료 전지 내 구조가 상대적으로 단순해질 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 연료 전지는 연료로서 금속 연료를 공급받으면서 아민류를 전해질로서 공급받을 수 있다. 전해질은 유기계 전해질(예: 아민류)만으로 구성될 수도 있고, 유기계 전해질(예: 아민류)에 수계 전해질이 더 포함된 형태, 또는 복합 전해질의 형태로 구성될 수도 있다. 한편, 이 경우의 연료 전지는 도 12에 도시된 바와 같이, 금속 연료 공급을 위해 연료 전극(1212)과 연결된 제 1 라인 및 전해질 공급을 위해 전해질 모듈(1224)과 연결된 별도의 제 2 라인을 포함할 수 있다.
전자화물은 금속 내부가 아닌 외부에서 전자가 음이온의 형태로 존재할 수 있다. 전자화물(Electride Solution)은 알카리 금속에 비해 공기 중에서 반응성이 낮아 폭발 등의 위험이 적고, 유체이기 때문에 활용이 간편한 장점이 있으며, 알칼리 금속만큼 강력한 환원성을 가진 물질이므로, 연료 전지에 활용되어 공기와 반응하여 탄소를 포집하는데 활용될 수 있다.
또한 전자화물은 반응성이 감소할수록 청색에서 투명한 색으로 변하는 성질을 가지고 있어, 색을 이용하여 반응성을 구분하는 시인성에서 장점이 있으므로, 연료 공급을 제어하기 용이할 수 있다.
즉, 전술한 금속이나 금속염 이외에도 다양한 물질이 본 개시의 탄소 포집 시스템의 연료로 사용될 수 있다.
이하에서는, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지 원리를 활용한 탄소 포집 시스템의 구체적인 구성 및 그 운용 방법에 대해 자세히 설명한다.
본 개시의 탄소 포집 시스템은 하나의 장치로서 구현될 수 있으며, 개별적인 장치 또는 물리적으로 구분되는 모듈의 조합으로 구현될 수도 있다. 이에 따라 본 개시에서는 "탄소 포집 시스템"과 "탄소 포집 장치"의 용어가 혼용하여 설명된다.
도 7a 및 도 7b는 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 포집 시스템의 예시적인 구성을 블록도로 나타낸 것이다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 구성 요소는 예시적인 것으로서, 본 개시에서 구현하고자 하는 목적을 달성하기 위한 어떠한 구성 요소의 조합도 가능하다. 즉, 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 포집 시스템 내지 탄소 포집 장치는 도시된 구성 요소 전부를 포함하여 구현되거나, 구성 요소의 일부가 생략되거나, 도시되지 않은 구성 요소를 더 포함하여 구현될 수 있다.
한편, 본 개시는 각 구성 요소가 유기적으로 결합된 탄소 포집 장치 뿐만 아니라, 구성 요소 각각이 단독적으로 실시되는 것을 포함한다. 즉, 본 문서는 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 포집 시스템을 구성하기 위한 각각의 개별적인 장치 요소를 포함한다.
도 7a에서, 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 포집 장치는 연료 카트리지(110), 에어 카트리지(120), 연료 셀 모듈(130) 및 배터리(150)를 포함할 수 있다.
연료 카트리지(110)는 챔버(112), 가열 모듈(114) 및 연료 주입 모듈(116)을 포함할 수 있다. 연료 카트리지(Fuel Catridge)는 연료 셀 모듈(130)의 연료 전극(Anode)에 연료를 공급하기 위한 모듈이다. 연료 카트리지에 공급되는 연료는 금속(M), NaK와 같은 상온에서 액체 상태인 합금, 전자화물(Electride Solution) 또는 금속염을 포함할 수 있다. 즉, 본 개시의 탄소 포집 장치에 적용되는 연료 셀 모듈이 금속-공기 연료 전지인 경우 연료는 금속이 될 수 있으며, 금속염-공기 연료 전지인 경우 연료는 금속염이 될 수 있다.
연료 카트리지를 통해 공급되는 연료는 연료 셀 스택인 금속-공기 연료 전지 또는 금속염-공기 연료 전지, 또는 기타 연료 전지에 적합한 반응성과 전도성을 가진 임의의 물질 및 형태가 이용될 수 있다. 연료 카트리지를 통해 공급되는 연료는 전술한 실시예에 열거된 금속, 합금, 전자화물 또는 금속염 중 어떤 물질도 이용될 수 있으나, 본 개시에서 예시된 물질에 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 개시의 일 실시예에 따라 연료 카트리지로 공급되는 금속 M은 나트륨(Na)일 수 있다. 일 실시예에서 연료 카트리지(110)는 금속 연료로 나트륨이 사용되는 경우, 연료 셀 스택에 금속 연료인 나트륨을 투입하는 처리를 할 수 있다.
챔버(112)는 연료를 투입, 보관 및/또는 가열 등의 전처리를 포함한 기능을 수행할 수 있다.
연료 셀 모듈(130)이 금속-공기 전지를 포함하는 경우, 연료로서 금속 연료가 연료 주입 모듈(116)을 통해 고체 상태로 투입될 수도 있고, 액체나 기체를 포함하는 유체 상태로 투입될 수도 있다. 투입된 금속 연료는 챔버(112)에 형성된 개구를 통해 챔버(112) 내로 투입되어 보관 및 처리될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 금속 연료가 챔버(112) 내로 투입된 이후 챔버는 외부로부터 밀폐된 환경을 가지며, 챔버 내부는 진공 혹은 저압 상태로 유지될 수 있다. 챔버 내부의 압력을 낮춤으로써 알칼리 금속과 같은 반응성이 높은 금속 연료가 챔버 내에서 반응하는 것을 억제할 수 있다. 또한 금속 연료의 투입 이후 챔버 내부를 진공 혹은 저압 상태로 유지할 경우 추가로 금속 연료의 융점 및 기화점이 낮아지게 되므로, 그 결과 금속 연료를 보다 용이하게 액체 또는 기체로 상태 변화시키고 유지할 수 있다.
가열 모듈(114)은 챔버(112)에 열을 공급하여 투입된 금속 연료를 용융시킬 수 있다. 예를 들어, 가열 모듈(114)은 금속 연료가 나트륨인 경우, 나트륨의 녹는점(약 97.79도)보다 높은 온도를 유지하도록 열을 공급하여, 나트륨이 액체 상태가 되도록 만들 수 있다. 이는 일 예시일 뿐, 가열 모듈(114)에서 유지하는 온도는 투입되는 금속 연료의 녹는점에 따라 달라질 수 있다. 가열 모듈(114)은 재래식으로 열을 공급하거나 또는 전기 코일을 이용하여 열을 공급할 수 있다. 가열 모듈(114)은 시스템 내부의 온도를 감지하는 온도 센서를 포함할 수 있다. 가열 모듈(114)은 외부로부터 전력을 받아서 열을 공급할 수도 있고, 연료 전지의 발전으로 배터리(150)에 저장된 내부 전력을 이용하여 열을 공급할 수도 있다. 본 문서의 탄소 포집 시스템은 연료 전지의 발전으로 만들어진 열 또는 에너지를 금속 연료의 상태 변환 또는 탄소 포집 장치의 구동에 활용하여 열 공급에 따른 비용을 절감시킬 수 있다.
한편, 연료 셀 모듈(130)이 금속염-공기 전지를 포함하는 경우, 챔버(112)에 공급되는 연료는 금속염일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 공급되는 금속염은 액체 상태일 수 있다. 금속염의 반응을 촉진하기 위하여 연료 카트리지(110)는 가열 모듈(114)을 이용하여 금속염을 고온으로 공급할 수도 있다. 가열 모듈(114)을 이용하여 챔버(112) 내 보관되는 금속염의 온도를 최적의 반응 온도로 유지할 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 공급되는 금속염이 고체 상태일 수 있다. 이 경우, 연료 셀 모듈(130)로 유체 상태로 금속염을 공급하기 위하여, 물 등의 용매를 공급하기 위한 급수 장치를 이용하여 전해질 용액으로 공급하거나, 가열 모듈(114)를 이용하여 용융 상태로 공급할 수 있다.
한편, 연료 카트리지에 공급되는 연료가 NaK, 전자화물, 또는 금속염과 같이 상온에서 액체 상태인 경우, 본 개시의 탄소 포집 시스템에 사용되는 연료 공급 시스템은 저온(예를 들어, 상온)으로도 유지 및 운용될 수 있으므로 가열 모듈과 같은 가열 및 냉각 장비가 필요하지 않을 수 있다.
연료 주입 모듈(116)은 금속 연료를 연료 셀 모듈(130)의 연료 셀 스택(140)으로 주입시킬 수 있다. 연료 주입 모듈(116)은 챔버(112)에서 액체 또는 기체 상태로 변한 금속 연료 또는 금속염을 컴프레셔 또는 펌프를 이용해 압력을 넣어 연료 셀 모듈(130)로 주입시킬 수 있다. 본 문서의 탄소 포집 시스템은 액체 또는 기체 상태로 변한 금속 연료를 압력을 이용해 공급하여, 고체 상태로 공급시킬 때보다 연료의 반응 속도를 상승시키고, 연료 투입 과정을 더 편리하게 만들 수 있다. 즉, 고체 상태의 연료와 비교하여 액체 또는 기체 상태의 연료는 라인을 통해 공급되기에 더 유리할 수 있다.
또한, 연료 주입 모듈(116)은 연료 셀 스택(140) 상에서 연소하지 못한 금속 연료를 받아서 열을 공급하고, 다시 연료 셀 스택(140) 상으로 공급하여 연소되지 못하고 쌓이는 금속 연료의 양을 감소시키고, 연료 전지의 효율을 상승시킬 수 있다. 이를 위해, 일 실시예에서 연료 주입 모듈(116)은 추가로 연료 셀 모듈(130)로부터 금속을 회수하는 연료 아울렛을 통해 연료를 회수할 수 있다. 일 실시예에서 연료 셀 스택 내에서 연소되지 못하거나 화학 반응하지 못한 금속 연료가 위 아울렛을 통해 연료 주입 모듈(116)로 다시 회수될 수 있다.
한편, 본 개시의 실시예에서는 반응성을 향상시키고, 연료 공급의 용이를 위하여 연료가 연료 셀 모듈로 유체 상태로 투입되기 위한 구성을 포함하고 있으나, 다른 실시예도 가능하다. 즉, 공급되는 금속 연료 또는 금속염은 반드시 유체 상태여야 되는 것은 아니며, 별도의 열 처리 없이 고체 상태로 공급되는 것도 가능하다. 고체 상태로 금속 연료 또는 금속염이 공급되는 경우, 연료 카트리지는 고체 상태의 연료를 포함하는 카트리지로서, 소진 시 연료 카트리지를 교체하는 방식으로 연료 셀 모듈(130)에 금속 연료 또는 금속염이 공급될 수 있다.
일 실시예에서, 상술한 과정에서 연료 전지가 시간당 소모하는 만큼의 연료 양에 대응하여 금속 연료 또는 금속염 연료가 공급될 수 있도록 설정함으로써 연료 전지의 연료 사용 효율을 증가시킬 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 에어 카트리지(120)는 에어 팬(122), 에어 필터(124) 및 에어 컨트롤 모듈(126)을 포함할 수 있다. 에어 카트리지(Air Cartridge)는 연료 셀 스택에 공기를 공급하기 위한 모듈이다. 일 실시예에서 에어 카트리지는 대기 중의 공기를 수집하고, 수집된 공기를 연료 셀 스택에 공급하기 적합한 상태로 전처리한 후, 전처리된 공기를 연료 셀 스택에 공급할 수 있다.
에어 팬(122)은 회전을 통해 공기 및 공기 중의 이산화탄소를 에어 카트리지의 내부로 모으는 기능을 수행할 수 있다.
에어 필터(124)는 에어 팬(122)을 통해 모아진 공기 중에서 이물질(예를 들어, 먼지와 같은 고체 물질)을 거르는 기능을 포함할 수 있다.
에어 컨트롤 모듈(126)은 에어 카트리지의 전체 동작을 제어할 수 있으며, 예를 들어 탄소 포집 시스템 내부로 공기를 모으는 과정을 제어할 수 있다. 에어 컨트롤 모듈(126)은 공기의 상태(예: 온도, 습도, 풍속)을 측정하고, 측정된 공기의 상태에 기반하여 에어 팬(122)의 회전 속도, 공기 압축 비율, 탄소 포집 시스템 내 압력, 탄소 포집 시스템 내 유속을 제어할 수 있다. 에어 컨트롤 모듈(126)은 공기의 상태에 기반하여 모아진 공기를 연료 셀 스택(140)에 공급하기에 적합한 상태로 만들 수 있다.
일 실시예에서, 본 개시의 일 실시예에 따른 에어 카트리지(120)는 공기를 압축, 가열 또는 냉각하여 연료 전지 반응에 적합한 공기를 제조, 제어 또는 공급할 수 있다. 일 예로, 에어 컨트롤 모듈(126)은 연료 셀 스택(140)으로 공급되는 공기의 유속이 상대적으로 빨라서 공기압이 높게 측정되는 경우, 에어 팬(122)의 회전 속도를 낮추거나, 연료 셀 스택(140) 상에서 공기를 외부로 방출시켜 압력을 낮추도록 제어할 수 있다. 또 다른 예로, 에어 컨트롤 모듈(126)은 탄소 포집 성능을 향상시키기 위해 공기 중 이산화탄소를 에어 카트리지(120) 내에 축적시켜 처리한 고농도의 이산화탄소 가스 혼합물을 연료 셀 스택(140)으로 공급할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 연료 셀 모듈(130)은 연료 전극과 공기 전극의 산화 환원 반응을 이용하여 전기 에너지를 생산하고, 탄소를 포집하는 기능을 수행하는 모듈을 의미할 수 있다. 본 개시의 연료 셀 모듈(130)은 연료 카트리지(110)로부터 연료를 공급받고, 에어 카트리지(120)로부터 공기를 공급받는 금속-공기 전지 또는 금속염-공기 전지 등 연료 전지의 일 실시예를 의미할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 연료 셀 모듈(130)은 제어부(132), 전극 교체 모듈(134) 및 연료 셀 스택(140)을 포함할 수 있다.
한편, 도 7a 및 도 7b에서 제어부(132)는 연료 셀 모듈(130)에 포함된 것으로 도시하였으나, 제어부(132)는 탄소 포집 시스템 내 다른 구성에 포함되거나 독립적으로 존재할 수 있다.
제어부(132)는 탄소 포집 장치 또는 탄소 포집 시스템의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(132)는 탄소 포집 장치 내 연료 셀 스택(140)의 작동 상황을 감지하고, 온도, 내부 압력, 공급되는 연료의 유속, 모아진 공기의 유속, 연료 전지에서 생산되는 전력의 생산량, 전극의 내구도 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다. 구체적으로 제어부(132)는 탄소 포집 시스템의 각 구성요소의 온도 정보를 수신하고 이에 기초하여 각 구성요소를 냉각하거나 가열하여 온도를 조절할 수 있다. 또한 제어부(132)는 센서를 통해 측정되거나 측정 정보에 기초하여 산출된 각 구성요소의 내부 압력, 연료나 공기의 유입, 유출 속도, 전력 생산량 또는 각 전극의 내구도 중 적어도 어느 하나의 정보를 수신하고 이에 기초하여 수신한 값이 목표 범위 내에 있도록 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(132)는 연료 전지에서 생산되는 직류 전기를 교류로 바꾸기 위한 전력 변환 시스템을 더 포함할 수 있다. 또한, 제어부(132)는 연료 카트리지(110) 및 에어 카트리지(120)에서 수행되는 동작 또는 기능을 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(132)는 연료 셀 스택(140)에 공급되는 연료의 양 또는 연료의 공급 시점을 제어할 수 있다. 제어부(132)는 연료 셀 스택(140)에 공급되는 공기의 양 또는 공기의 공급 시점을 제어할 수 있다. 제어부(132)는 연료 셀 스택(140)의 전력 생산 효율을 측정하여 양극의 교체 시점을 판단하거나 결정할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전극 교체 모듈(134)은 전극 기능의 상실을 방지하기 위해 연료 셀 스택(140)의 양극부(공기 전극, cathode, 환원 전극)를 교체하는 기능을 제공할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지는 화학 반응을 할수록 양극부에 부산물인 탄소 화합물(또는, 탄소 광물화 자원(예: Ma(CO3)b)이 쌓여 전극 기능이 약화되거나 상실될 수 있다.
일 실시예에서 전극 교체 모듈(134)은 연료 셀 스택(140)이 카트리지 형태로 삽입 및 제거 가능한 양극부를 구비한 경우, 그 양극부를 삽입 또는 제거하기 위한 개구, 슬롯 또는 삽입시 기계적인 구속력을 부여하기 위한 임의의 부재나 기구를 포함하는 기구를 포함할 수 있다.
일 실시예에서 전극 교체 모듈(134)은 양극부의 삽입 또는 제거를 위해 양극부를 적어도 일 방향으로 이동시키는 힘을 부여하는 장치를 포함할 수 있다. 전극 교체 모듈은 예를 들면 양극부를 밀거나 당기는 힘을 부여하는 탄성 부재나 모터 또는 전자기력을 발생시키는 전자 장치 또는 외부 제어에 의해 탈착이 가능한 전자석 내지 자성 부재를 포함할 수도 있다. 또는 전극 교체 모듈은 양극부에 손잡이에 대응하는 구성을 포함하여, 사용자가 양극부를 더 쉽게 제거할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 전극 교체 모듈(134)은 연료 셀 스택(140) 내 양극 및 구성부에 부산물이 쌓인 정도를 측정하고, 쌓인 부산물의 양이 지정된 수준을 초과하면 자동으로 양극을 교체할 수 있다. 또는 전극 교체 모듈(134)은 쌓인 부산물의 양이 지정된 수준을 초과하면 양극을 교체해야 함을 지시하는 정보를 제어부(132)로 전송할 수 있다. 제어부(132)는 전극 교체 모듈(134)로부터 양극을 교체해야 함을 지시하는 정보를 수신하고 사용자에게 표시할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 연료 셀 스택(140)은 연료 카트리지(110)로부터 공급된 연료 및 에어 카트리지(120)로부터 공급된 공기를 이용하여 화학 반응을 일으키고, 전기에너지를 생산할 수 있다. 즉, 본 개시의 실시예에 따른 연료 셀 스택(140)은 본 개시의 공기 연료 전지를 의미할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 연료 셀 스택(140)은 분리판, 기체 확산층, 연료 전극, 전해질 부 및 공기 전극을 포함할 수 있다. 연료 셀 스택(140)의 자세한 구성에 대해서는 도 8, 도 9a 및 도 9b에서 설명하기로 한다.
일 실시예에 따르면, 배터리(150)는 연료 셀 모듈(130)에서 화학 반응을 통해 생성되는 전력을 저장하는 기능을 수행할 수 있다.
제어부(132)는 연료 셀 모듈(130)에서 생성된 전력을 배터리(150)에 저장하거나, 또는 배터리에 저장된 전력을 탄소 포집 시스템 내부(예: 연료 카트리지(110), 에어 카트리지(120))에 공급할 수 있다. 예를 들어, 제어부(132)는 배터리(150)에 저장된 전력을 연료 카트리지(110)로 공급할 수 있고, 연료 카트리지(110) 내 열 모듈(114)은 배터리로부터 공급된 전력을 이용하여 투입되는 연료의 상태를 기체 또는 액체로 만들 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 개시의 배터리(150)는 탄소 포집 장치로부터 탈부착될 수 있다. 충전이 완료된 배터리(150)는 탈착되어, 다른 전자 기기를 위한 전력을 제공되는데 사용될 수 있다.
또한, 방전된 배터리 또는 충전이 안된 배터리가 본 개시의 탄소 포집 장치와 결합하여 연료 셀 모듈(130)로부터 생성되는 전기 에너지에 의해 충전이 수행될 수 있다. 또는, 배터리(150)의 구성 대신 전기 에너지로 가동되는 임의의 전자 장치가 연결되어, 본 개시의 장치로부터 전력을 공급받을 수도 있을 것이다.
즉, 본 개시의 배터리(150)는 탄소 포집 장치에 의해 생성된 전력을 공급받는 어떠한 전자 장치 또는 전력 저장 장치를 포함할 수 있다.
본 개시의 탄소 포집 시스템은 연료 셀 모듈(130)로부터 생성된 전기 에너지를 외부 시스템으로 전송할 수 있다. 이 경우, 외부 시스템과 직접 연결되어 전송하거나, 배터리(150)에 저장된 전력을 외부 시스템으로 전송하는 형태로 전기 에너지를 외부로 제공할 수 있다.
도 7b는 연료 셀 모듈(130)이 전해질 모듈(136)을 더 포함하는 구조를 도시한 것이다. 전해질 모듈(136)은 연료 전지 스택(140) 내 전해질 부로 공급되는 전해질을 관리하는 기능을 수행할 수 있다.
일 실시예에서 전해질 모듈(136)은 연료 셀 스택(140)의 전해질부에 액체 상태의 전해질을 컴프레셔, 펌프 등의 주입 장비를 이용해 가압하여 연료 셀 스택(140)의 전해질 입구(electrolyte inlet)을 통해 공급할 수 있다. 이때 전해질 공급의 압력, 유속, 온도, 공급량 등은 전해질 모듈(136)에 의해 제어될 수 있다. 일 실시예에서 전해질 모듈(136)은 연료 셀 스택의 전해질부로부터 액체 상태의 전해질을 전해질 출구(electrolyte outlet)를 통해 회수할 수 있다. 본 개시에서는 전해질 모듈(136)을 사용하여 연료 셀 스택의 전해질부의 전해질을 공급 및/또는 교체함으로써 전해질부의 전해질을 유지 및 관리할 수 있다. 일 실시예에서, 연료 셀 모듈(130)이 금속염-공기 전지를 포함하는 경우, 전해질 모듈(136)을 통해 공급되는 금속염의 공급 압력, 유속, 온도, 공급량 등이 제어될 수 있다.
본 문서의 탄소 포집 시스템 및 방법은 연료 전지가 SOFC(solid oxide fuel cell) 또는 MCFC(molten carbonate fuel cell)의 형태로 구성되는 상황에서, 공급되는 연료의 상태만 액체 또는 기체로 변경하는 것이므로 기존 연료 전지 스택 및 시스템에서도 그대로 적용될 수 있다.
본 문서의 탄소 포집 시스템 및 방법은 기존의 연료(예: 수소, 도시가스, LNG, 바이오매스)와 동일한 연료 전지 스택 및 시스템을 사용하지만, 기존의 연료와 비교하여 상대적으로 반응성이 높은 금속 연료(예: 알칼리 금속)를 사용하여 연료와 공기의 반응을 높일 수 있다. 탄소 포집 시스템 및 방법은 금속 연료의 높은 반응성으로 인해 공기 전극에서 화학 반응성을 높이기 위해 사용되었던 상대적으로 값비싼 재료들(예: 귀금속)을 사용하지 않아도 되므로 비용을 절감할 수 있다. 본 문서의 탄소 포집 시스템 및 방법은 비용 절감을 통해 연료 전지의 제조 단가를 낮추면서, 탄소 포집을 위한 비용을 절감시킬 수 있다. 또한, 액체 또는 기체 상태의 연료를 사용하면 고체 상태와 비교하여 연료의 표면적이 상대적으로 넓어 반응이 상대적으로 잘 일어날 수 있으므로, 연료와 전극의 반응성을 개선하기 위한 공정을 삭제 또는 간소화시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 연료 전지가 고온 형태의 연료 전지(예: MCFC(molten carbonate fuel cell), SOFC(solid oxide fuel cell))의 형태로 구성되는 경우, 공기 전극에서 생성된 이온(예: CO3 2- 이온)이 전해질을 통해 연료 전극으로 이동할 수 있다. 연료 전극에 위치한 이온화된 금속(예: 나트륨 이온)과 공기 전극에서 생성된 이온(예: CO3 2- 이온)이 화학 반응을 일으켜 탄소 화합물(예: Na2CO3)이 생성될 수 있다. 고온 형태의 연료 전지(예: MCFC(molten carbonate fuel cell))의 내부는 지정된 온도(예: 600도) 이상에서 작동하여 생성된 탄소 화합물을 액체 또는 기체 상태로 유지시킬 수 있다. 탄소 포집 시스템은 액체 또는 기체 상태의 탄소 화합물을 연료 주입 모듈(116)과 연결된 연료 주입 라인을 통해 외부로 배출할 수 있다. 탄소 포집 시스템은 연료 주입을 위해 만든 연료 주입 라인을 이용하여 탄소 화합물을 외부로 배출하여 추가적인 구성(예: 배출 라인)을 이용하지 않아 복잡성을 줄이고, 비용을 절감할 수 있다. 또한, 본 문서의 탄소 포집 시스템 및 방법은 외부로 배출되는 탄소 화합물을 축적하여 판매하거나 다른 용도로 이용할 수 있다.
한편, 본 개시의 일 실시예에 따른 연료가 NaK와 같은 상온에서 액체인 합금 금속을 이용하는 경우, 작동 온도가 저온인 SOFC 연료 전지 시스템 또는 PEMFC 시스템과 결합하여 본 개시의 탄소 포집 시스템이 적용될 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 셀 스택의 구성을 블록도로 나타낸 것이다. 도 8에 개시된 블록도는 설명의 편의를 위해 연료 셀 스택을 구성하는 각각의 구성 요소를 모듈화하여 도시한 것으로서, 실제 구조와는 관계가 없다.
도 8에 따르면, 연료 셀 스택(140)은 외부 연결 모듈(141), 확산층(143), 연료 전극(145), 전해질부(147) 및 공기 전극(149)을 포함할 수 있다.
본 개시의 외부 연결 모듈(141)은 연료 셀 스택과 외부 구성요소들을 분리하는 기능을 수행할 수 있다. 또한, 외부 연결 모듈(141)은 연료 셀 스택을 구분하는 분리판의 기능을 수행할 수 있다. 이때, 외부 연결 모듈(141)이라는 용어는 임의의 명칭으로서, 본 개시에서 외부 연결 모듈(141)은 분리 모듈, 분리판, 경계부, 또는 인터페이스 등 연료 전지 기능을 수행하는 연료 셀 스택의 내부 구조와 그 밖의 다른 구성요소를 분리하는 기능을 수행하는 모듈을 의미한다.
한편, 외부 연결 모듈(141)은 곡선형의 라인으로 생성되어 연료 및 공기가 공급되는 통로 역할을 수행할 수 있다. 즉, 연료 셀 스택(140)은 외부 연결 모듈(141)을 통해 연료 카트리지 및 공기 카트리지와 연결되어 연료와 공기를 공급받을 수 있다. 외부 연결 모듈(141)은 금속 연료와 공기(또는 가스)의 입구(inlet)와 출구(outlet)로서의 각 개구 및 이와 연통된 유로를 포함할 수 있다. 여기서 유로는 확산층(143)을 통해 금속 연료와 공기가 확산되기 적합하도록 필요에 따른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 외부 연결 모듈(141)은 유로의 확산층(143)과의 접촉 면적을 확보하기 위한 굴곡진 형상을 가질 수 있다.
확산층(143)은 외부 연결 모듈(141)의 라인을 통해 공급된 연료 및 공기를 확산시킬 수 있다. 확산층(143)은 연료 및 공기를 확산시키기에 적합한 물질 및 매트릭스로 구성될 수 있다. 확산층(143)은 탄소 포집 시스템 내에서 필요에 따라 생략될 수도 있으며, 다른 구성 요소에 통합되거나 도 9a 및 도 9b의 배치와 다른 형태로 배치될 수 있다.
연료 전극(145)은 연료 카트리지(110)로부터 공급된 연료(환원제, 예를 들어, 알칼리 금속, 금속염, 또는 전자화물 등)가 산화되는 전극을 포함할 수 있다. 연료 전극(145)은 탄소 기반의 물질(예: 흑연, carbon paper, carbon black)로 구성될 수 있다. 탄소 기반의 물질은 전기 전도도와 내화학성이 다른 물질에 비해 상대적으로 우수하여 전력을 생산하거나 화학 반응을 일으키는 데 적합할 수 있다.
전해질부(147)는 연료와 공기가 화학 반응 후 생성된 이온(예: 금속 이온)을 이동시킬 수 있다. 전해질부(147)에 포함되는 전해질은 액체 전해질, 고체 전해질, 겔상태의 전해질, 수용성 전해질, 유기 전해질 또는 복합 전해질 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 전해질부(147)가 복합 전해질을 포함하는 경우, 전해질부(147)는 연료 전극(145) 쪽에 위치하는 제1 전해질과 공기 전극(149) 쪽에 위치하는 제2 전해질을 포함할 수 있고, 제1 전해질과 제2 전해질을 분리하는 분리막을 포함할 수 있다. 이 때, 제1 전해질은 유기계 전해질을 포함할 수 있고, 제2 전해질은 수계 전해질을 포함할 수 있다. 전해질부(147)가 하이브리드로 구성된 경우의 구조에 대한 자세한 설명은 도 9b에서 후술하기로 한다.
본 개시의 탄소 포집 시스템에 적용되는 연료 전지가 SOFC의 형태를 갖는 경우, 전해질부(147)는 NASICON(Sodium[Na] Super Ionic CONductors)이나 베타알루미나와 같은 이온성이 높은 고체 산화물(예: 세라믹 물질)을 사용할 수 있다.
본 개시의 탄소 포집 시스템에 적용되는 연료 전지가 MCFC의 형태를 갖는 경우, 전해질부(147)는 액체 상태의 금속 화합물(예를 들어, Na2CO3와 같은 Ma(CO3)b)를 직접적으로 사용할 수 있다. 연료 카트리지(110)는 열 모듈(114)을 이용하여 고체 상태의 금속 화합물을 가열하여 연료 셀 스택(140)으로 액체 상태의 금속 화합물을 공급할 수 있으며 액체 상태의 금속 화합물은 전해질로 작용할 수 있다. 전해질부(147)는 액체 상태의 금속 화합물을 이동시킬 수 있다. 연료 셀 스택 내부에서 금속 화합물의 양이 변화할 수 있으므로, 일정 수준의 전해질 양을 유지할 수 있도록, 연료 셀 스택(140)은 액체 상태의 금속 화합물을 공급받거나 제거하기 위해 외부 연결 모듈(141)에 부착된 라인 및/또는 장치를 사용할 수 있다.
공기 전극(149)은 에어 카트리지(120)를 통해 공급된 공기를 환원시킬 수 있다. 공기 전극(149)은 예를 들어, 백금(Pt) 또는 탄소(C)를 사용할 수 있고, 또는 탄소나 흑연을 기반으로 하되 니켈(Ni)이 추가로 함유된 물질을 사용할 수도 있다. 공기 전극에서, 에어 카트리지를 통해 공급된 공기 중의 산소 또는 이산화탄소는 금속 이온(예:나트륨 이온)과 반응하여 부산물(예: Na2CO3)을 생성할 수 있다. 공기 중의 산소 또는 이산화탄소와 금속 이온이 반응하여 생긴 부산물은 공기 전극(149)에 쌓일 수 있다. 공기 전극(149)에 지정된 수준을 초과하여 부산물이 쌓이게 되면, 전기전도도가 낮아져 전극으로서의 기능을 수행하기 어려울 수 있다. 그래서 부산물이 쌓이면 공기 전극(149)의 교체가 필요할 수 있다. 연료 셀 스택(140)은 공기 전극(149)의 교체를 위한 구성요소를 더 포함할 수 있다. 탄소 화합물이 고체 형태로 쌓이게 되는 경우 공기 전극을 교체할 수 있으나, 액체 또는 기체의 유체 상태로 형성되는 경우에는 이를 제거하기 위한 유로를 포함할 수 있다. 이때, 액체 또는 기체 상태의 탄소 화합물을 외부로 배출될 수 있는 유로는 별도로 형성되거나, 연료 셀 스택(140)에 연결된 기존의 연료 공급 라인이 사용될 수도 있다. 연료 셀 스택(140)는 금속 산화물이 쌓이는 것을 방지하여 공기 전극(5)을 포함한 전극의 교체 주기를 늘리고, 전극의 교체에 따른 비용을 절감시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 확산층(143), 연료 전극(145), 전해질부(147) 및 공기 전극(149)은 MEA(membrane electrode assembly)(142)의 통합된 형태로 존재할 수도 있다.
도 9a는 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 셀 스택(140)의 구조를 도시한 도면이다.
도 9a의 연료 셀 스택은 도 8에 개시된 연료 셀 스택을 예시적으로 구조화한 것이다.
도 9a에서, 연료 셀 스택(140)은 연료 카트리지(110)로부터 연료를 공급 받고, 에어 카트리지(120)로부터 공기를 공급받을 수 있다.
연료 셀 스택(140)은 연료를 공급받을 수 있다. 공급되는 연료는 연료 주입 모듈(116)을 거쳐 연료 셀 스택(140)으로 공급될 수 있다. 연료 셀 스택(140)은 라인을 이용하여 액체 또는 기체 상태의 연료를 공급받을 수 있으며, 고체 상태의 연료와 비교하여 연료를 쉽게 공급받을 수 있다. 또한, 연료 셀 스택(140)은 액체 또는 기체 상태의 연료를 공급받아 연소하지 않고 남은 연료를 외부 연결 모듈(141)의 개구에 연결된 라인 또는 별도의 라인을 이용하여 제거할 수 있다. 액체 또는 기체 상태의 연료는 고체 상태의 연료와 비교하여 반응성이 상대적으로 높아 남은 연료의 양을 상대적으로 줄일 수 있으며, 유체의 형태로 흐르기 때문에 공기 전극(149)에 축적되는 양도 상대적으로 적을 수 있다.
또한, 연료 셀 스택(140)은 에어 카트리지(120)로부터 공기를 공급받을 수 있다. 에어 컨트롤 모듈(126)은 공기의 상태(예: 온도, 습도, 풍속)을 측정하고, 측정된 공기의 상태에 기반하여 에어 팬(122)의 회전 속도, 공기 압축 비율, 탄소 포집 시스템 내 압력, 탄소 포집 시스템 내 유속을 제어할 수 있다. 연료 셀 스택(140)은 연료와 반응하고 남은 공기를 외부로 배출하거나 또는 내부 유압이 지정된 수준을 초과하는 경우 공기를 외부로 배출시킬 수 있다.
한편, 연료 전극(145)에서 금속 등 연료의 산화 반응이 이뤄지고, 생성된 양이온이 전해질부(147)를 통해 음극인 공기 전극(149)로 이동할 수 있다. 공기 전극에서는 공기의 환원 반응을 통해 공기 중의 탄소가 포집될 수 있다. 포집된 탄소는 탄소 화합물의 형태로 공기 전극에 축적될 수 있으며, 공기 전극에 축적된 탄소 화합물의 양이 일정 수준을 초과하는 경우, 연료 셀 모듈(130)에 포함된 전극 교체 모듈을 이용하여 공기 전극을 교체할 수 있다.
도 9b는 본 개시의 일 실시예에 따른 하이브리드 연료 셀 스택의 구조를 도시한 도면이다.
도 9b를 참조하면, 하이브리드 연료 셀 스택의 전해질부는 혼합된 전해질을 포함할 수 있으며, 제1 전해질부(1471), 제2 전해질부(1472), 및 그 사이의 분리막(1473)을 포함할 수 있다. 또한, 각 전해질부에 포함된 전해질의 농도 또는 양을 조절하기 위한 전해질 모듈(1475)를 더 포함할 수 있다. 이때 연료 전극(145)에 가까운 제1 전해질부(1471)는 유기계 전해질을 포함하고, 공기 전극(149)에 가까운 제2 전해질부(1472)는 수계 전해질을 포함할 수 있다. 분리막은 양이온만을 통과시키는 투과성 물질로 구성될 수 있다. 반응이 진행되며 제1 전해질부(1471)와 제2 전해질부(1472)의 각각에 포함된 전해질의 농도를 유지하기 위해 전해질 모듈(1475)을 통해 전해질이 교환될 수 있다. 전해질 모듈(1475)과 각각의 전해질부는 서로 다른 관을 통해 연결될 수 있다.
한편, 연료 전지의 산화 환원 반응에 의해 포집되는 탄소 화합물은 제2 전해질부에 침전될 수 있으므로 상대적으로 비싼 공기 전극(149)를 교체하는 대신 제2 전해질부(1472)만을 교체하여 전지의 성능을 유지할 수 있다. 제2 전해질부는 모듈로서 그 자체가 교체되거나, 또는 제2 전해질부에 포함된 용액만을 교체하는 것도 가능하다. 즉, 전해질 수용액만을 교체함으로써 전지의 성능을 유지함과 동시에, 전해질 수용액을 여과하여 포집한 탄소 화합물을 간편하게 분리할 수 있다.
도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 포집 시스템 내 에어 카트리지로 공기를 포집하기 위한 구성을 나타낸 것이다.
도 10에서, 에어 카트리지(120)는 에어 팬(122), 에어 필터(124) 및 에어 컨트롤 모듈(126)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 에어 팬(122)은 회전을 통해 공기 및 공기 중의 이산화탄소를 탄소 포집 시스템 내부로 모을 수 있다. 에어 필터(124)는 에어 팬(122)을 통해 모아진 공기 중에서 고체 물질(예: 먼지) 등의 이물질을 걸러내는 데 사용될 수 있다. 에어 컨트롤 모듈(126)은 탄소 포집 시스템 내부로 공기를 모으는 과정을 제어할 수 있다. 에어 컨트롤 모듈(126)은 공기의 상태(예: 온도, 습도, 풍속)을 측정하고, 측정된 공기의 상태에 기반하여 에어 팬(122)의 회전 속도, 공기 압축 비율, 탄소 포집 시스템 내 압력, 탄소 포집 시스템 내 유속을 제어할 수 있다. 에어 컨트롤 모듈(126)은 공기의 상태에 기반하여 모아진 공기를 연료 전지 스택(140)에 공급하기에 적합한 상태로 만들 수 있다.
일 실시예에 따르면, 에어 필터(124)는 공기 내 불순물(예: 먼지)을 제거하여 외부 공기를 정화시킬 수 있다. 에어 필터(124)를 통해 정화된 공기(128)는 에어 컨트롤 모듈(126)을 통해 연료 전지 스택(140)의 공기 전극(149)으로 투입될 수 있다. 에어 필터(124)는 공기 정화를 위해 특정한 기술(예: PSA(pressure swing adsorption), TSA(thermal swing adsorption), PTSA(pressure thermal swing adsorption), VSA(vacuum swing adsorption)) 중 어느 하나 또는 2 이상의 방법을 혼합하여 사용할 수 있다. PSA는 높은 분압에서 특정 가스가 흡착재에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 분압이 지정된 수준 미만으로 감소하면 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미할 수 있다. TSA는 상온에서 특정 가스가 흡착재에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 온도가 지정된 수준을 초과하면 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리로 작동하는 기술을 의미할 수 있다. PTSA는 PSA 및 TSA가 조합된 기술을 의미할 수 있다. VSA는 대기압 부근에서 특정 가스가 흡착재에 우선적으로 흡착 또는 포획되고, 진공 상태에서 특정 가스가 탈착 또는 방출되는 원리를 이용하는 기술을 의미할 수 있다.
에어 필터(124)는 충전이 가능한 흡착재 또는 선택적으로 물질을 투과시키는 투과막을 더 포함할 수 있다. 흡착재는 예를 들어, 제올라이트, 알루미나, 실리카겔, MOF(metal-organic framework), ZIF(zeolitic imidazolate framework), 활성탄 중 적어도 어느 하나를 포함하거나 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. MOF 는 유기분자에 배위된 금속 이온 또는 금속 클러스터로 이뤄져, 다공성인 1차, 2차 또는 3차 구조를 형성하는 결정성 화합물을 의미할 수 있다. ZIF는 이미다졸레이트 리간드에 의해 연결된 사면체 클러스터로 이루어진 나노 다공성 화합물을 의미할 수 있다. 이는 일 예시일 뿐, 흡착재의 종류는 불순물을 흡착시킬 수 있는 재료라면 무엇이든 포함될 수 있다. 투과막은 외부 공기의 흐름 방향과 나란하게 배치될 수 있다.
또한 에어 컨트롤 모듈(126)은 공기 중의 이산화탄소를 축적시켜 고농도의 이산화탄소 혼합 기체를 생성하여 탄소 포집 성능을 향상시킬 수 있다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 포집 시스템 내 연료 카트리지에서 연료 셀 스택으로 연료를 공급하기 위한 구성을 나타낸 것이다.
도 11에서, 연료 전지 스택(140)은 외부 연결 모듈(141), 연료 전극(145), 전해질부(147), 및 공기 전극(149)을 포함할 수 있다. 도시된 각 구성 요소의 기능은 전술한 바와 같다.
도 11에서, 연료 주입 모듈(116)은 챔버(예: 도 1a의 챔버(112))에서 만들어진 액체 또는 기체 상태의 연료를 연료 전극(145)으로 공급할 수 있다. 이때 공급되는 연료는 금속 연료(예: Na), 금속염 연료(예: NaCl), 액체 혼합 금속(예: NaK), 전자화물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 연료 전극(145)은 연료 주입 모듈(116)로부터 유체 상태의 연료를 공급받을 수 있다. 유체 연료는 고체 상태의 연료와 비교하여 표면적이 상대적으로 넓기 때문에 반응성 및 에너지 변환 효율 측면에서 효율이 높을 수 있다. 또한, 유체 연료는 고체 상태의 연료와 비교하여 기계적 또는 구조적으로 연료 공급 라인을 확보하거나, 연료 전극(145)으로 주입되기에 유리할 수 있다. 고체 상태의 연료는 형태가 고정적이기 때문에 연료 공급 라인보다 단면적이 큰 경우 연료 전극(145)으로 주입되기 어려울 수 있다. 반면, 유체 연료는 연료 공급 라인의 형태에 따라 금속의 형태가 변경될 수 있기 때문에 중력을 이용하거나 또는 압력을 가해줄 수 있는 구성(예: 모터, 컴프레셔)을 이용해 상대적으로 쉽게 연료 전극(145)으로 주입될 수 있다.
또한, 유체 연료는 유체 상태를 유지하기 위해 연료 전지 스택(140) 상에서 상대적으로 높은 온도가 필요하기 때문에, 반응성이 높아져 연료 전지의 효율이 고체 금속에 비하여 상대적으로 높아질 수 있다. 이때 내부 온도를 높게 유지하기 위한 에너지는 본 개시의 탄소 포집 시스템의 연료 셀 모듈에서 생성된 에너지가 사용될 수 있다.
도 12는 본 개시의 일 실시예에 따른 탄소 포집 시스템 내에서 연료와 공기가 반응하여 탄소를 포집하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 12에 따르면, 연료 전지 시스템(1200)은 음극부(1210), 전해질부(1220) 및 양극부(1230)를 포함할 수 있다.
음극부(1210)는 연료 전극(1212)(또는 음극)을 포함할 수 있다. 음극부(1210)는 연료 주입 모듈을 통해 액체 또는 기체 상태의 연료를 주입 받을 수 있다. 이때 음극부로 주입되는 연료는 금속 연료(예: Na), 금속염 연료(예: NaCl), 액체 혼합 금속(예: NaK), 또는 전자화물 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
전해질부(1220)는 연료 전극에서 화학 반응 후 생성된 이온(예: 금속 이온)을 이동시킬 수 있다. 전해질부(1220)는 이온의 이동을 위한 전해질(1222)을 포함할 수 있다. 전해질부(1220)는 복수의 전해질부로 구성될 수 있으며, 이 경우 각각의 전해질부를 분리하기 위한 분리막이 포함될 수 있다.
양극부(1230)는 공기 전극(1232)(또는 양극)을 포함할 수 있다. 양극부(1230)는 에어 카트리지 등으로부터 정화된 공기 또는 처리된 기체 혼합물을 주입 받을 수 있다.
음극부(1210) 및 전해질부(1220) 사이에는 분리막(1205)이 위치할 수 있다. 또한, 전해질부(1220) 및 양극부(1230) 사이에는 분리막(505)이 위치할 수 있다. 분리막(1205)은 물리적으로 음극부(1210), 전해질부(1220) 및 양극부(1230)를 분리시키고, 이온 형태의 물질만 이동하도록 제어할 수 있다.
음극부(1210) 및 전해질부(1220)는 연료 주입 및 전해질 주입을 위한 공급 라인에 의해 물리적으로 연결될 수 있다. 연료 전지(1200)는 연료 공급을 위해 연료 전극(1212)과 연결된 제 1 라인을 포함할 수 있다. 또한, 연료 전지(1200)는 전해질 공급을 위해 전해질 모듈(1224)과 연결된 제 2 라인을 포함할 수 있다. 제 1 라인 및 제 2 라인은 공급 라인으로서 하나로 연결될 수도 있고, 별도로 형성될 수도 있다. 금속 연료 및 아민류의 조합으로 생성된 전자화물이 금속 연료 및 전해질로서 공급되는 경우 제 1 라인 및 제 2 라인이 하나로 연결될 수 있으며 이는 전자화물과 관련하여 앞에서 설명한 바와 같다.
금속 연료 및 아민류가 조합된 전자화물은 금속-공기 연료 전지 상에 금속 연료로서 공급될 수 있고, 별도의 전해질 없이 아민류를 이용하여 전해질의 역할을 대신할 수도 있다. 즉, 금속 연료 및 아민류가 조합된 전자화물은 금속-공기 연료 전지 내에서 금속 연료의 역할을 수행하면서 동시에 전해질로서의 역할도 함께 수행할 수 있다. 금속 연료 및 아민류가 조합된 전자화물은 연료 전극(1212)과 연결된 라인을 통해 금속 연료로서 공급될 수 있다. 전자화물 내 아민류가 전해질의 역할을 수행하기 때문에 전해질 모듈(1224)과 연결된 라인이 별도로 구비되지 않아도 연료 전지 내부로 전해질이 공급될 수 있다. 이 경우, 연료 전지 공급부와 유기계 전해질부가 하나의 형태를 갖거나 또는 전해질 모듈(1224)과 연결된 라인이 연료 전극(1212)과 연결되어 하나의 라인으로 구성될 수 있다. 연료 전지 공급부와 유기계 전해질부가 하나의 형태를 갖거나 또는 전해질 모듈(1224)과 연결된 라인이 연료 전극(1212)과 연결되어 하나의 라인으로 구성되는 경우, 금속-공기 연료 전지 내 구조가 상대적으로 단순해질 수 있다.
연료 전극(1212) 및 공기 전극(1232)은 임의의 물질(예: 흑연, 금속-탄소 복합체, 단일소재 및 복합소재, 실리콘 기반의 촉매 복합체, 촉매 전극, 반도체성 물질 전극, 고분자 전극, 나노소재 전극, 금속 매쉬 형태 전극, 유기/무기 복합소재 전극, 액체 형태의 전극, TMD(transition metal dichalcogenides) 전극, 그래핀전극, 탄소나노튜브(CNT) 전극)로 구성될 수 있다. 이는 일 예시일뿐, 연료 전극(1212) 및 공기 전극(1232)으로 사용될 수 있는 물질이 이것으로 한정되는 것은 아니며, 공기와 금속 연료의 반응에 적합한 반응성, 전도성 또는 반도체성을 가진 임의의 물질이라면 무엇이든 포함될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 연료 전극(1212)에서는 산화 반응이 일어날 수 있다. 연료 전극(1212)에서는 산화 반응을 통해 연료에 포함된 금속 성분이 이온화될 수 있다. 이온화된 금속은 전해질부(1220) 및 분리막(1205)을 통과하여 공기 전극(1232)으로 이동할 수 있다. 또는 전해질부(1220)에 이미 포함된 이온화 금속이 공기 전극(1232)으로 이동할 수 있다. 한편, 음극에서 산화 반응에 의해 생성된 전자는 별도의 회로(전선)를 이용하여 음극부(1210)에서 양극부(1230)로 이동할 수 있으며, 이 때 전류의 방향은 전자의 움직임과는 반대 방향(1202)을 나타낼 수 있다.
일 실시예에 따르면, 공기 전극(1232)에서는 공기의 환원 반응이 일어날 수 있다. 공기 전극(1232)에서는 산소의 환원과 함께 금속 이온의 산화반응이 일어날 수 있다. 공기 전극(1232)에서는 연쇄적인 화학 반응을 통해 탄소 화합물이 생성될 수 있다. 최종적으로 생성되는 탄소 화합물은 Ma(CO3)b, CO, COOH 등을 포함할 수 있다. 이러한 반응을 통해 공기 상에 존재하던 탄소(C) 원자가 금속과 결합된 탄소 화합물(예: Na2CO3)의 형태로 포집됨을 확인할 수 있다.
본 문서의 탄소 포집 시스템은 상기 화학 반응을 통해 공기 중에 존재하던 이산화탄소를 탄산염 등의 형태로 포집하여 공기 중의 탄소를 제거할 수 있다.
본 문서의 탄소 포집 시스템은 금속 연료(예: 나트륨)를 투입하여 공기 중의 탄소를 제거할 수 있다. 예를 들어, 탄소 화합물이 Na2CO3 인 경우 금속 이온 2개를 이용하여 공기중의 이산화 탄소 1분자를 제거할 수 있다. 염화나트륨은 지구 표면적의 70%를 차지하는 바닷물(해수)에 존재하는 이온 중 30.6%를 차지하기 때문에 고갈의 염려 없이 저렴한 비용으로 얻을 수 있다. 탄소 포집 시스템은 금속 연료로 염화나트륨(NaCl)을 이용하는 경우, 지정된 수준(예: 12톤)의 염화나트륨을 투입하여 지정된 수준(예: 1톤)의 탄소를 공기 중에서 제거할 수 있다.
또한, 본 문서의 탄소 포집 시스템은 포집된 탄소 화합물을 산업적으로 이용하거나 판매할 수 있다. 탄소 포집 시스템은 공기 중의 산소 또는 이산화탄소를 포집하여 탄소 화합물을 생성하고, 생성된 탄소 화합물을 자원의 형태로 판매할 수 있다. 탄소 포집 시스템은 공기 중의 이산화탄소를 제거하면서 탄소 배출권의 형태로 일정량(예: 이산화탄소 1톤 당 약 600달러)의 수입을 얻을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 공기 전극(1232)은 탄소 화합물(예: Ma(CO3)b)이 축적되어 전기 전도도가 감소할 수 있다. 본 문서의 탄소 포집 시스템은 공기 전극(1232)에서 생성된 탄소 화합물을 연료 주입 모듈(116)과 연료 전극(1212) 사이의 연료 공급 라인을 이용하여 외부로 배출할 수 있다. 본 문서의 탄소 포집 시스템은 탄소 화합물의 배출을 위해 별도의 라인을 설치하는 것이 아니라 연료 공급을 위해 설치된 연료 공급 라인을 그대로 이용하여 구조의 복잡성을 줄이고, 비용을 절감할 수 있다. 탄소 포집 시스템은 공기 전극(1232)에서 생성되는 탄소 화합물을 외부로 배출하여 공기 전극(1232) 상에 쌓이지 않게 제어하고, 공기 전극(1232)의 전기 전도도가 낮아지지 않도록 만들 수 있다. 탄소 포집 시스템은 탄소 화합물을 외부로 배출하여 공기 전극(1232)의 교체 주기를 늘려 공기 전극(1232)의 성능 저하에 따른 교체의 번거로움을 줄이고, 공기 전극(1232)의 교체에 따른 비용을 감소시킬 수 있다.
탄소 포집 장치의 제어부(132)는 공기 전극(1232)에 쌓이는 탄소 화합물의 비율 및 공기 전극(1232)의 전기 전도도에 기반하여 공기 전극(1232)의 교체 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(132)는 공기 전극(1232)의 전기 전도도가 지정된 수준 미만임에 기반하여 공기 전극(1232)을 교체하는 것으로 결정할 수 있다. 본 문서의 탄소 포집 시스템은 특정 구성이나 로봇 또는 장치를 이용하여 자동 또는 반자동 방식으로 연료 셀 스택 내 공기 전극(1232)을 교체할 수 있다. 또는 제어부(132)는 공기 전극(1232)을 교체해야 함을 지시하는 정보를 사용자에게 표시할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 공기 전극(1232)은 전기적으로는 제어부(132)과 연결되고, 물리적으로는 전극 교체 모듈(1234)과 연결될 수 있다. 제어부(132)는 공기 전극(1232)의 교체를 결정하고, 전극 교체 모듈(1234)를 이용하여 자동 또는 반자동으로 공기 전극(1232)을 교체할 수 있다.
이하에서는, 공기 전극(1232)의 교체에 대해서 자세히 설명한다.
일 실시예에 따르면, 연료 셀 모듈은 전해질 모듈을 이용하여 전해질을 충전하고, 사용된 전해질을 외부로 배출할 수 있다. 연료 셀 모듈의 전해질부는 주입구/배출구(개구, 또는 유로)를 포함할 수 있다. 탄소 포집 시스템은 상기 배출구를 이용하여 공기 전극에서 생성된 탄소 화합물을 배출시킬 수 있다. 상기 배출구는 연료 주입 모듈에서 연료를 주입하는 통로와 연결될 수 있다. 또는 연료를 주입하는 통로와는 별도의 통로와 연결될 수도 있다. 제어부는 탄소 포집 시스템 내 연료 전지의 작동 상황을 감지하고, 온도, 내부 압력, 공급되는 연료의 유속, 모아진 공기의 유속, 연료 전지에서 생산되는 전력의 생산량, 전극의 내구도 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다. 제어부는 공기 전극(1232)의 상태에 기반하여 공기 전극(1232)의 교체 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(132)은 공기 전극(1232)에 쌓인 탄소 화합물이 지정된 수준(예: 80%)을 초과하거나 도는 공기 전극(1232)의 전기 전도도가 지정된 수준(예: 30%) 미만임에 기반하여 공기 전극(1232)의 교체를 결정할 수 있다. 제어부(132)은 공기 전극(1232)의 교체가 결정됨에 기반하여 전극 교체 모듈(1234)을 동작시켜 공기 전극을 연료 셀 스택 또는 연료 전지로부터 분리시킬 수 있다. 또는 제어부(132)은 공기 전극(1232)의 교체가 결정됨에 기반하여 공기 전극(1232)의 교체가 필요함을 지시하는 정보를 사용자에게 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 공기 전극(1232)은 연료 전지 시스템 내에서 카트리지 형태로 구성되거나 격실 형태로 분리되어 구성될 수 있다. 사용자는 수동으로 공기 전극(1232)만을 따로 교체할 수도 있다. 본 문서의 탄소 포집 시스템은 자동으로 공기 전극(1232)을 교체하거나 또는 외부에서 상대적으로 단순하게 공기 전극(1232)을 교체할 수 있도록 구조를 형성하여 편리한 사용성을 제공할 수 있다. 또한, 공기 전극(1232)에 축적될 수 있는 탄소 화합물을 배출구를 통해 제거하거나, 수계 전해질을 교체하여 공기 전극(1232)의 사용 주기 또는 교체 주기를 늘릴 수 있다.
도 13은 본 개시의 일 실시예에 따른 연료 전지를 이용한 탄소 포집 방법을 흐름도로 나타낸 것이다.
도 13을 통하여 설명되는 동작들은 컴퓨터 기록 매체 또는 메모리에 저장될 수 있는 인스트럭션들 을 기반으로 구현될 수 있다. 도시된 방법은 앞서 도 1 내지 도 12를 통해 설명한 본 개시의 연료 전지 및 탄소 포집 시스템에 의해 실행될 수 있으며, 앞서 설명한 바 있는 기술적 특징은 이하에서 생략하기로 한다. 도 13의 각 동작의 순서가 변경될 수 있으며, 일부 동작이 생략될 수도 있고, 일부 동작들이 동시에 수행될 수도 있다.
동작 1310에서 제어부(132)는 연료 카트리지의 온도를 제어하여 유입된 금속 연료를 액체 또는 기체 상태로 만들 수 있다. 액체 또는 기체 상태의 연료는 고체 상태의 연료와 비교하여 반응성이 상대적으로 높아 남은 연료의 양을 상대적으로 줄일 수 있으며, 유체의 형태로 흐르기 때문에 공기 전극에 축적되는 양도 상대적으로 적을 수 있다. 한편, 도 13의 동작에서 공급되는 연료는 금속 연료로 한정되지 않으며, 본 개시에서 상술한 다양한 실시예에 따라, 금속염 연료, 전자화물 연료, 액체 상태의 합금 연료 등이 사용될 수 있고, 이하의 동작은 그에 따라 적절히 변경될 수 있다.
동작 1320에서 제어부(132)는 연료 공급 라인을 이용하여 액체 또는 기체 상태의 금속 연료를 음극부로 전달할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 음극부는 연료 주입 모듈을 통해 액체 또는 기체 상태의 금속 연료를 주입 받을 수 있다. 음극부는 연료 공급 라인을 이용하여 액체 또는 기체 상태의 연료를 공급받을 수 있으며, 고체 상태의 금속 연료와 비교하여 연료를 쉽게 공급받을 수 있다.
동작 1330에서 제어부(132)는 양극부에서 외부 기체 및 이온화된 금속 연료가 화학 반응하여 탄소 포집 생성물(예를 들어, 탄소 화합물)을 생성하도록 제어할 수 있다. 본 문서의 탄소 포집 시스템은 금속 연료(예: 나트륨)를 투입하여 공기 중의 탄소를 제거할 수 있다. 예를 들어, 탄소 포집 생성물이 MaCO3 인 경우 금속 이온 2개를 이용하여 공기중의 이산화 탄소 1분자를 제거할 수 있다. 염화나트륨은 지구 표면적의 70%를 차지하는 바닷물(해수)에 존재하는 이온 중 30.6%를 차지하기 때문에 고갈의 염려 없이 저렴한 비용으로 얻을 수 있다. 탄소 포집 시스템은 금속 연료로 염화나트륨(NaCl)을 이용하는 경우, 지정된 수준(예: 12톤)의 염화나트륨을 투입하여 지정된 수준(예: 1톤)의 탄소를 공기 중에서 제거할 수 있다.
또한, 본 문서의 탄소 포집 시스템은 포집된 탄소 포집 생성물을 산업적으로 이용하거나 판매할 수 있다. 탄소 포집 시스템은 공기 중의 산소 또는 이산화탄소를 포집하여 탄소 포집물을 생성하고, 생성된 탄소 포집물을 자원의 형태로 판매할 수 있다. 탄소 포집 시스템은 공기 중의 이산화탄소를 제거하면서 탄소 배출권의 형태로 일정량(예: 이산화탄소 1톤 당 약 600달러)의 수입을 얻을 수 있다.
동작 1340에서 제어부(132)는 외부 기체 및 이온화된 금속 연료가 화학 반응하여 생성된 에너지를 이용할 수 있다. 예를 들어, 연료 셀 스택(140)은 연료 카트리지(110)로부터 공급된 연료 및 에어 카트리지(120)로부터 공급된 공기를 이용하여 화학 반응을 일으키고, 전기에너지를 생산할 수 있다. 배터리(150)는 연료 셀 모듈(130) 상에서 화학 반응을 통해 생성되는 전력을 저장할 수 있다. 연료 셀 모듈(130)은 생성된 전력을 배터리(150)에 저장하거나 또는 탄소 포집 시스템 내부의 다른 구성 요소에 공급할 수 있다. 예를 들어, 연료 전지 시스템(130)은 배터리(150)에 저장된 전력을 연료 카트리지(110)로 공급할 수 있다. 연료 카트리지(110) 내 열 모듈(114)은 전력을 이용하여 투입되는 연료의 상태를 기체 또는 액체로 만들 수 있다. 또한, 탄소 포집 시스템은 배터리(150)에 저장된 전력을 외부 시스템으로 전송하여 다른 전자 장치에 사용하거나, 특정 자원(예: 화폐)과 교환하거나 판매할 수 있다.
동작 1350에서 제어부(132)는 외부 기체 및 이온화된 금속 연료가 화학 반응하여 생성된 탄소 포집 생성물을 연료 공급 라인을 이용하여 외부로 배출하거나, 공기 전극을 교체할 수 있다. 본 문서의 탄소 포집 시스템은 탄소 포집 생성물의 배출을 위해 별도의 라인을 설치할 수도 있다. 또는 탄소 포집 생성물의 배출을 위해 탄소 포집 시스템에 마련된 연료 공급을 위해 설치된 연료 공급 라인을 그대로 이용하여 구조의 복잡성을 줄이고, 비용을 절감할 수 있다. 또한, 본 문서의 탄소 포집 시스템 및 방법은 외부로 배출되는 탄소 포집 생성물을 축적하여 판매하거나 다른 용도로 이용할 수 있다. 탄소 포집 시스템은 탄소 포집 생성물을 외부로 배출하여 공기 전극의 교체 주기를 늘려 공기 전극의 성능 저하에 따른 교체의 번거로움을 줄이고, 공기 전극의 교체에 따른 비용을 감소시킬 수 있다. 탄소 포집 시스템은 공기 전극에서 생성되는 탄소 포집 생성물을 외부로 배출하여 공기 전극 상에 쌓이지 않게 제어하거나 공기 전극을 교체하여, 공기 전극의 전기 전도도가 낮아지지 않도록 만들 수 있다.
본 개시의 탄소 포집 장치의 제어부는 본 개시의 탄소 포집 시스템에서 수행되는 방법을 수행하도록 설정된 하드웨어로서, 논리 회로와 연산 회로를 포함하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다. 제어부(132)는 메모리(미도시)로부터 제공된 프로그램 및/또는 인스트럭션에 따라 데이터를 처리하고, 처리 결과에 따라 제어 신호를 생성할 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 제어부(132)는 예를 들면, 제어부(132)에 연결된 적어도 하나의 다른 구성요소(예: 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소)를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 데이터 처리 또는 연산의 적어도 일부로서, 제어부(132)는 다른 구성요소(예: 연료 셀 스택 또는 에어 컨트롤 모듈)로부터 수신된 명령 또는 데이터를 휘발성 메모리(미도시)에 저장하고, 휘발성 메모리(미도시)에 저장된 명령 또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(미도시)에 저장할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부(132)는 메인 프로세서(예: 중앙 처리 장치(CPU) 또는 어플리케이션 프로세서(AP)) 또는 이와는 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(예: 그래픽 처리 장치(GPU), 신경망 처리 장치(NPU: neural processing unit), 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 또는 커뮤니케이션 프로세서)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄소 포집 장치가 메인 프로세서 및 보조 프로세서를 포함하는 경우, 보조 프로세서는 메인 프로세서보다 저전력을 사용하거나, 지정된 기능에 특화되도록 설정될 수 있다. 보조 프로세서는 메인 프로세서와 별개로, 또는 그 일부로서 구현될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따른 탄소 포집 장치는 통신부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 통신부는 사용자 또는 다른 외부 기기로부터 입력된 명령 또는 데이터를 수신하거나, 탄소 포집 장치에서 생성된 명령 또는 데이터를 외부로 전송하고, 또는 탄소 포집 장치의 다른 구성요소(들)로부터 명령 또는 데이터를 송신 또는 수신하는 하드웨어 구성요소를 의미하는 것으로서, 유무선 통신 모듈 및/또는 입출력 인터페이스를 포함할 수 있다. 본 개시의 실시예에 따른 탄소 포집 장치는 상기 통신부를 통해 외부 전자 장치(예를 들면, 탄소 포집 장치의 외부에 설치되는 관리 서버)로부터 정보를 수신하거나, 상기 외부 전자 장치로 탄소 포집 장치가 획득 내지 생성한 정보를 송신할 수 있다. 한편, 상기 통신부는 본 개시의 다양한 실시예에 따른 탄소 포집 장치 내에서 제어부(132)와 별개로 구현될 수 있으며, 제어부(132)에 포함되는 회로 요소를 통해 구현되어 제어부(132)에 포함될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 본 개시의 탄소를 포집하기 위한 인공신경망(미도시)은 탄소 포집 장치에서 SOC(software-on-chip) 내지 MCU(micro controller unit)로 제어부(132)에 포함되어 제공될 수 있다. 또는 상기 인공신경망은 상기 제어부(132)에 의해 동작하는 소프트웨어의 형태로 제공되어, 외부 서버로부터의 통신 또는 사용자 입력에 의해 업데이트될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 상기 인공신경망을 이용하여 탄소 포집이 최적화되는 연료, 연료의 양, 공급 온도, 공급 속도, 공기의 양, 공기의 온도, 전해질의 농도 등이 결정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 탄소 포집 시스템은 외부 기체가 유입되는 에어 카트리지, 금속 연료가 주입되는 연료 카트리지, 연료 전지 시스템, 연료 카트리지와 연료 전지 시스템 사이에서 연료를 공급하는 연료 공급 라인, 배터리 및 제어부를 포함할 수 있다. 연료 전지 시스템은 금속 연료가 이온화되어 금속 이온이 생성되는 연료 전극을 포함하는 음극부(anode), 금속 이온의 탄소 화합물이 생성되는 공기 전극을 포함하는 양극부(cathode), 음극부 및 양극부 사이에서 금속 이온을 전달하는 전해질을 포함하는 전해질부를 포함할 수 있다. 제어부는 연료 카트리지의 온도를 제어하여 유입된 금속 연료를 액체 또는 기체 상태로 만들고, 연료 공급 라인을 이용하여 액체 또는 기체 상태의 금속 연료를 음극부로 전달하고, 양극부로 외부 기체를 전달하고, 양극부 상에서 외부 기체 및 이온화된 금속 연료가 화학 반응하여 탄소 화합물을 생성하도록 제어하고, 양극부 상에서 외부 기체 및 이온화된 금속 연료가 화학 반응하여 생성된 에너지를 이용하여 연료 카트리지의 온도를 제어하고, 남는 에너지는 배터리에 저장시키며, 양극부 상에서 외부 기체 및 이온화된 금속 연료가 화학 반응하여 생성된 탄소 화합물을 연료 공급 라인을 이용하여 외부로 배출시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부는 양극부 상에 축적되는 탄소 화합물이 유체 상태로 연료 공급 라인을 이용하여 이동할 수 있도록 전지 내부의 온도를 제어하고,외부 기체 및 이온화된 금속 연료가 화학 반응하여 생성된 탄소 화합물이 양극부 상에 축적되는 수준을 감지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부는 공기 전극의 전기 전도도가 지정된 수준 미만임에 기반하여 공기 전극을 교체하는 것으로 결정 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부는 공기 전극에 쌓이는 탄소 화합물의 비율이 지정된 수준을 초과함에 기반하여 공기 전극을 교체하는 것으로 결정 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부는 공기 전극을 교체하는 것으로 결정함에 기반하여 공기 전극의 교체가 필요함을 지시하는 정보를 사용자에게 표시 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 공기 전극은 전극 교체 모듈과 물리적으로 연결되고, 카트리지 형태로 구성되거나, 격실 형태로 분리되어 구성될 수 있으며, 제어부는 공기 전극을 교체하는 것으로 결정함에 기반하여 자동으로 전극 교체 모듈을 동작시켜 공기 전극을 분리할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제어부는 연료 공급의 압력, 유속, 금속 연료의 상태가 액체 또는 기체 상태로 유지될 수 있는 온도 및 공급량 중 적어도 어느 하나를 제어 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 에어 카트리지는 에어 팬, 에어 필터 및 에어 컨트롤 모듈을 포함하고, 에어 팬은 회전을 통해 공기 및 공기 중의 이산화탄소를 탄소 포집 시스템 내부로 모으고, 에어 필터는 에어 팬을 통해 모아진 공기 중에서 고체 물질을 걸러내며, 에어 컨트롤 모듈은 온도, 습도 또는 풍속 중 적어도 하나를 포함하는 공기의 상태를 측정하고, 측정된 공기의 상태에 기반하여 에어 팬의 회전 속도, 공기 압축 비율, 탄소 포집 시스템 내 압력 또는 탄소 포집 시스템 내 유속 중 적어도 어느 하나를 제어 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 연료 카트리지는 열 모듈, 챔버 및 연료 주입 모듈을 포함하고, 열 모듈은 챔버에 재래식으로 열을 공급하거나 또는 전기 코일을 이용하여 열을 공급하고, 탄소 포집 시스템 내부의 온도를 감지하며, 챔버는 투입된 금속 연료를 보관 및 가열하며, 연료 주입 모듈은 연료 공급 라인을 이용하여 연료 전지 시스템 상의 음극부로 액체 또는 기체 상태의 연료를 공급 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 연료 주입 모듈은 컴프레셔 또는 펌프를 이용해 압력을 넣어 연료 전지 시스템 상의 음극부로 연료를 공급하며, 연료 전지 시스템 상에서 연소하지 못한 금속 연료를 가열하여 다시 연료 전지 시스템 상으로 공급 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 배터리는 음극부에서 금속 연료의 산화를 통해 발생하는 에너지를 저장하고, 저장된 에너지를 열 모듈로 공급하거나 외부로 전송 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 탄소 포집 시스템은 별도의 라인을 더 포함하며, 제어부는 연료 공급 라인을 이용하여 양극부에서 생성된 탄소 화합물을 이동시키거나, 별도의 라인을 이용하여 양극부에서 생성된 탄소 화합물을 이동시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 연료 공급 라인은 곡선으로 형성되고, 연료 전지 시스템 상으로 액체 또는 기체 상태의 연료를 공급하고, 연소되지 않은 연료를 다시 연료 카트리지 상으로 공급하며, 양극부에서 생성된 탄소 화합물을 이동시킬 수 있다.
일 실시예에 따르면, 금속 연료는 Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Al, Sn, Zn, Cu, Nb, Ag, Ni, Cd, Fe 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 음극부의 연료 전극 또는 양극부의 공기 전극은 탄소 전극, 흑연 전극, 금속-탄소 복합체 전극, 나노 소재 전극, 촉매 복합체 전극, 촉매 전극, 반도체성 물질 전극, 고분자 전극, 금속 매쉬 형태 전극, 유기/무기 복합소재 전극, 액체 형태 전극, TMD(transition metal dichalcogenides) 전극, 그래핀 전극, 탄소나노튜브(CNT) 전극 또는 산화 금속 종 전극 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 개시의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명된 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시에 포함되는 발명은 본 문서에 개시된 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 문서의 개시가 완전하도록 하며, 본 개시에 포함되는 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로서, 발명의 내용은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

Claims (13)

  1. 대기 중의 탄소를 포집하기 위한 연료 셀 스택에 있어서,
    액체 또는 기체 상태의 금속 연료가 공급되는 연료 전극을 포함하는 음극부(anode);
    연료 전극에 연결되어 금속 연료를 공급하는 제1 라인;
    이산화탄소 및 산소를 포함하는 가스 혼합물이 공급되는 공기 전극을 포함하는 양극부(cathode);
    상기 연료 전극 및 상기 공기 전극 사이에서 상기 금속 연료의 산화환원 반응에 의해 생성되는 금속이온을 전달하는 전해질을 포함하는 전해질부; 및
    제어부;를 포함하고,
    상기 전해질부는 전해질을 공급하고 순환시키는 것을 특징으로 하는,
    연료 셀 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해질부는 전해질이 공급될 수 있는 개구 및 상기 개구의 개폐를 제어하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연료 셀 스택.
  3. 제1항에 있어서,
    전해질의 공급을 제어하는 전해질 모듈 및 상기 전해질 모듈에 연결된 제2 라인을 더 포함하고,
    상기 연료 전극에 공급되는 금속 연료의 종류에 기초하여 상기 제2 라인을 통해 상기 전해질부로 전해질이 유동되는 것을 특징으로 하는,
    연료 셀 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 라인을 통해 금속 연료 및 아민류를 포함하는 전자화물이 공급되는 경우, 상기 제2 라인을 통해 공급되는 전해질은 상기 제1 라인을 통해 공급되는 전자화물과 상이한 것을 특징으로 하는,
    연료 셀 스택.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 공기 전극의 상태에 기초하여 상기 전해질부의 교체 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는
    연료 셀 스택.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전해질부의 교체는 상기 제2 라인을 통해 전해질 용액이 공급됨으로써 상기 전해질부의 용액이 교체되는 것을 특징으로 하고,
    상기 전해질 모듈은 전해질의 공급을 제어함으로써 전해질을 유지 및 관리하는 것을 특징으로 하는,
    연료 셀 스택.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전해질부는 전해질 용액을 배출하는 제3 라인을 더 포함하는,
    연료 셀 스택.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 전해질부는 상기 연료 전극 및 상기 공기 전극과 분리막부에 의해 구분되어 분리 가능하고,
    상기 전해질부의 교체는 상기 전해질부의 카트리지 또는 격실 형태의 교체인 것을 특징으로 하는,
    연료 셀 스택.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전해질부는 적어도 하나 이상의 전해질을 포함하고, 상기 적어도 하나 이상의 전해질은 유기계 전해질 및 수계 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    연료 셀 스택.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전해질부는 제1 전해질부, 제2 전해질부, 상기 제1 전해질부와 상기 제2 전해질부를 분리하는 분리막부, 및 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부에 각각 연결되는 유로를 더 포함하고,
    전해질 모듈은 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부 각각의 전해질 공급을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    연료 셀 스택.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전해질부의 교체는 상기 제1 전해질부, 상기 제2 전해질부, 및 분리막부 중 적어도 하나의 카트리지 교체인 것을 특징으로 하는,
    연료 셀 스택.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전해질부의 교체는 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부 중 적어도 하나의 용액의 교체인 것을 특징으로 하는,
    연료 셀 스택.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부 중 적어도 하나의 용액의 교체는 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부 중 적어도 하나에 용액을 공급함으로써 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부 중 적어도 하나의 용액이 교체되는 것을 특징으로 하고,
    상기 전해질 모듈은 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부 중 적어도 하나의 전해질 공급을 제어함으로써 상기 제1 전해질부 및 상기 제2 전해질부의 전해질을 각각 유지 및 관리하는 것을 특징으로 하는,
    연료 셀 스택.
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