KR20240056151A - composite membrane-electrode assembly for hydrogen isotope separation based on water electrolysis, hydrogen isotope separation system and method for separation of hydrogen isotopes using the same assembly - Google Patents

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김일국
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Abstract

본 발명은 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체, 이를 이용한 수소 동위원소 분리 시스템 및 수소 동위원소 분리 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 경수소, 중수소 및 삼중수소의 분리능을 현저히 향상시킬 수 있고, 분리된 중수소 및 삼중수소를 포함하는 중수소수 또는 삼중수소수의 농축도를 향상시키는 기술로 활용될 수 있는 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체, 이를 이용한 수소 동위원소 분리 시스템 및 수소 동위원소 분리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite membrane-electrode composite for hydrogen isotope separation by water electrolysis, a hydrogen isotope separation system and a hydrogen isotope separation method using the same, and specifically, to significantly improve the separation ability of light hydrogen, heavy hydrogen, and tritium. A composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis that can be used as a technology to improve the concentration of deuterium or tritium water containing separated deuterium and tritium, and hydrogen isotope separation using the same. It relates to systems and hydrogen isotope separation methods.

Description

수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체, 이를 이용한 수소 동위원소 분리 시스템 및 수소 동위원소 분리 방법{composite membrane-electrode assembly for hydrogen isotope separation based on water electrolysis, hydrogen isotope separation system and method for separation of hydrogen isotopes using the same assembly}Composite membrane-electrode assembly for hydrogen isotope separation based on water electrolysis, hydrogen isotope separation system and method for using the same separation of hydrogen isotopes using the same assembly}

본 발명은 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체, 이를 이용한 수소 동위원소 분리 시스템 및 수소 동위원소 분리 방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 경수소, 중수소 및 삼중수소의 분리능을 현저히 향상시킬 수 있고, 분리된 중수소 및 삼중수소를 포함하는 중수소수 또는 삼중수소수의 농축도를 향상시키는 기술로 활용될 수 있는 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체, 이를 이용한 수소 동위원소 분리 시스템 및 수소 동위원소 분리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a composite membrane-electrode composite for hydrogen isotope separation by water electrolysis, a hydrogen isotope separation system and a hydrogen isotope separation method using the same, and specifically, to significantly improve the separation ability of light hydrogen, heavy hydrogen, and tritium. A composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis that can be used as a technology to improve the concentration of deuterium or tritium water containing separated deuterium and tritium, and hydrogen isotope separation using the same. It relates to systems and hydrogen isotope separation methods.

수소의 동위원소는 자연적으로는 경수소(H, hydrogen), 중수소(D, Deuterium) 및 삼중수소(T, Tritium)가 있으며, 물 상에서는 D 또는 T의 함량이 낮은 경우 HDO 또는 HTO 형태의 화합물로 존재한다. 중수소 및 삼중수소는 일반적인 경수소에 비해 원자량이 큰 특징을 갖는다. 순도가 높은 중수소 및 삼중수소는 고가의 원료물질로 활용되는데, 중수소는 반도체 및 디스플레이 산업, 분석화학 등 다양한 분야에서 활용되며, 삼중수소는 자발광체, 핵융합 등의 산업에서 활용된다. 따라서, 수소 동위원소 분리 기술은 유용 자원의 생산 측면에서 매우 중요하다.Isotopes of hydrogen naturally include light hydrogen (H), deuterium (D), and tritium (T). In water, when the content of D or T is low, they exist as compounds in the form of HDO or HTO. do. Deuterium and tritium have the characteristic of having a larger atomic weight than general light hydrogen. High-purity deuterium and tritium are used as expensive raw materials. Deuterium is used in various fields such as the semiconductor and display industries and analytical chemistry, and tritium is used in industries such as self-luminous materials and nuclear fusion. Therefore, hydrogen isotope separation technology is very important in terms of production of useful resources.

한편, 삼중수소는 방사성을 갖는 물질로 유해성을 갖는다. 삼중수소는 원자력발전소의 운영 과정에서 발생하며, 가압수형 원자로는 냉각수에 함유된 붕소 및 리튬의 중성자 반응에 의해 HTO/H2O의 혼합물로 발생되고, 중수로는 감속재 및 냉각재에 함유된 중수소의 중성자 반응에 의해 DTO/D2O의 혼합물로 발생하게 된다. 원전 운영 과정에서 누수, 사고 등에 의해 계획되지 않은 경로로 환경에 유출되는 경우 지하수 등 환경오염을 유발하여 대량의 삼중수소 오염수를 발생시키게 된다. 원전의 운영 및 해체과정에서 발생되는 삼중수소 함유 냉각수, 감속재 및 오염수 등은 배출 관리 기준 등에 부합되도록 정화되어야 하나, 삼중수소수는 물과 유사한 물리화학적 특성을 갖기 때문에 분리가 어렵다.Meanwhile, tritium is a radioactive substance and is hazardous. Tritium is generated during the operation of a nuclear power plant. In pressurized water reactors, it is generated as a mixture of HTO/H 2 O by the neutron reaction of boron and lithium contained in the coolant, and in heavy water reactors, neutrons of deuterium contained in the moderator and coolant are generated. The reaction produces a mixture of DTO/D 2 O. If it is leaked into the environment through an unplanned route due to a leak or accident during the operation of a nuclear power plant, it will cause environmental pollution such as groundwater and generate a large amount of tritium contaminated water. Tritium-containing cooling water, moderators, and contaminated water generated during the operation and decommissioning of nuclear power plants must be purified to meet emission management standards, but tritium water has physical and chemical properties similar to water, so it is difficult to separate.

지하수, 지표수 등 수환경에 극미량의 삼중수소가 자연적으로 존재하나, 삼중수소의 농도를 정확하게 정량분석하기 위해서는 분석이 가능한 수준으로 물에 삼중수소를 농축시키는 전처리 단계가 필요하며, 이를 위해서는 수소동위원소를 분리하여 액상에 농축시키는 분리기술이 중요하다.A very small amount of tritium naturally exists in aquatic environments such as groundwater and surface water, but in order to accurately quantitatively analyze the concentration of tritium, a pretreatment step is required to concentrate tritium in water to a level that can be analyzed, and this requires hydrogen isotopes. Separation technology that separates and concentrates the liquid is important.

경수소, 중수소, 삼중수소 혼합물을 분리하기 위한 수소 동위 원소 분리 기술로 물 증류 공정, 초저온 증류 공정, 촉매 교환 공정, 레이저 분리 기술, 전기 분해 기술 등이 개발되었으나, 효율적인 분리를 위해서는 높은 분리 효율을 갖도록 하는 개선이 필요하다.Hydrogen isotope separation technologies such as water distillation process, cryogenic distillation process, catalytic exchange process, laser separation technology, and electrolysis technology have been developed to separate light hydrogen, heavy hydrogen, and tritium mixtures. However, for efficient separation, high separation efficiency is required. improvement is needed.

전기 분해는 물을 분해하여 기체를 발생시키는 과정에서 중수소 또는 삼중수소의 함량이 낮은 수소 기체를 발생시켜 수소 동위 원소를 분리하게 된다. 일반적인 알칼리 수전해 장치는 대량의 물로부터 중수소 또는 삼중수소를 농축하는 데 활용될 수 있으나, KOH 등의 전해질을 함유한 상태의 농축이 발생되기 때문에 탈염 단계가 추가적으로 필요하며, 전류 밀도가 낮아 장치 규모가 큰 단점이 있다.Electrolysis separates hydrogen isotopes by generating hydrogen gas with a low content of deuterium or tritium in the process of decomposing water to generate gas. A general alkaline water electrolysis device can be used to concentrate deuterium or tritium from a large amount of water, but since concentration occurs in a state containing electrolytes such as KOH, an additional desalting step is required, and the current density is low, so the device scale is small. There is a big drawback.

고분자 전해질막을 이용한 수전해 장치(polymer electrolyte membrane water electrolyzer) 기술의 향상에 따라, 수소 동위 원소 분리를 위한 기술로 응용될 수 있다. Perfluorinated sulfonic acid(Nafion 등) 기반 상용 고분자 전해질막이 활용되나, 일반적인 고분자 전해질막 내에서의 수소 동위원소 간 확산의 차이는 적어 수소 동위원소 분리 효과를 높이기 위한 고분자 전해질막-전극 복합체가 필요하다.As polymer electrolyte membrane water electrolyzer technology improves, it can be applied as a technology for hydrogen isotope separation. Commercial polymer electrolyte membranes based on perfluorinated sulfonic acid (Nafion, etc.) are used, but the difference in diffusion between hydrogen isotopes within a typical polymer electrolyte membrane is small, so a polymer electrolyte membrane-electrode complex is needed to increase the hydrogen isotope separation effect.

최근 수소 이온 전도성 물질과 2차원 물질 복합체를 이용하면 2차원 물질에 대한 수소 동위 원소 투과도 차이에 의해 수소 이온의 분리가 가능할 것으로 기대하고 있으나, 수소 기체 동위 원소 혼합물(H2, D2)의 분리를 위한 전기 화학적 수소 펌프로 활용 기술이 제안되었고, 수소/중수소의 혼합물 분리 기술로 각광받고 있다. 하지만, 수용 액상의 함유된 중수소 또는 삼중 수소의 분리에 적용이 어렵고, 수용액을 기체로 전환한 후, 기체 혼합물을 전기 화학적 수소 펌프를 활용해 분리를 해야 하는 어려움이 있다.Recently, the use of hydrogen ion conductive materials and two-dimensional material complexes is expected to enable separation of hydrogen ions due to differences in hydrogen isotope permeability for the two-dimensional materials. However, separation of hydrogen gas isotope mixtures (H 2 , D 2 ) is expected to be possible. A technology to utilize it as an electrochemical hydrogen pump has been proposed, and is attracting attention as a technology for separating hydrogen/deuterium mixtures. However, it is difficult to apply to the separation of deuterium or tritium contained in an aqueous liquid, and there is a difficulty in converting the aqueous solution into gas and then separating the gas mixture using an electrochemical hydrogen pump.

US patent 2018/0056240 A1 (2018.03.01.)US patent 2018/0056240 A1 (2018.03.01.)

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 전기분해를 기반으로 수소동위원소 분리 성능을 향상시키는 수소 동위원소 이온 분리막 및 이의 막-전극 복합체를 활용하여 수용액 혼합물로부터 상대적으로 가벼운 수소 동위원소를 기체로 추출하여 중수소 또는 삼중수소를 수용액에 농축하여 분리 성능을 향상시키는 방법 및 그 시스템을 제공하는 것이다.The present invention was invented to solve the above-described conventional problems. The problem to be solved by the present invention is to provide a hydrogen isotope ion separation membrane that improves hydrogen isotope separation performance based on electrolysis and a membrane-electrode complex thereof. To provide a method and system for improving separation performance by extracting relatively light hydrogen isotopes from an aqueous solution mixture as gas and concentrating deuterium or tritium in an aqueous solution.

상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 수소 동위원소 이온에 대하여 투과도 차이를 갖는 반투과성 이온 분리막; 및 상기 이온 분리막의 적어도 일면 상에 형성된 수소이온 전도성 고분자 전해질막;을 포함하는 수전해용 복합막; 상기 수전해용 복합막의 양면에 대향되게 형성된 에노드(anode) 촉매; 및 수소 동위원소 교환을 유도하는 캐소드(cathode) 촉매;를 포함하는 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체를 제공한다.In order to solve the above-described technical problem, the present invention provides a semi-permeable ion separation membrane having a difference in permeability for hydrogen isotope ions; and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane formed on at least one surface of the ion separation membrane; a composite membrane for water electrolysis comprising a. An anode catalyst formed on both sides of the composite membrane for water electrolysis; and a cathode catalyst that induces hydrogen isotope exchange. It provides a composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis, including a cathode catalyst that induces hydrogen isotope exchange.

또한, 수소이온 전도성 고분자 전해질막; 및 상기 수소이온 전도성 고분자 전해질막 내에 수소 동위원소 이온에 대하여 투과도 차이를 갖는 2차원 결정물질이 분산된 수전해용 복합막;을 포함하고, 상기 수전해용 복합막의 양면에 대향되게 형성된 에노드(anode) 촉매; 및 수소 동위원소 교환을 유도하는 캐소드(cathode) 촉매;를 포함하는 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체를 제공한다.In addition, a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane; and a composite membrane for water electrolysis in which a two-dimensional crystal material having a difference in permeability to hydrogen isotope ions is dispersed within the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and an anode formed to face both sides of the composite membrane for water electrolysis. catalyst; and a cathode catalyst that induces hydrogen isotope exchange. It provides a composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis, including a cathode catalyst that induces hydrogen isotope exchange.

또한, 상술한 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체를 포함하되, 상기 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체는 에노드(anode) 부근에 투입수(water)를 주입하는 투입구 및 산화-환원 반응에 의하여 발생한 산소(O2) 및 미반응 물(water)의 배출구를 포함하며, 캐소드(cathode) 부근에는 산화-환원 반응에 의하여 발생한 수소(H2)의 배출구를 포함하는 수소 동위원소 분리 시스템을 제공한다.In addition, it includes the composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis described above, wherein the composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis is supplied with water near the anode. It includes an inlet for injecting oxygen (O 2 ) and an outlet for unreacted water generated by the oxidation-reduction reaction, and an outlet for hydrogen (H2) generated by the oxidation-reduction reaction near the cathode. Provided is a hydrogen isotope separation system comprising:

또한, 본 발명은 상술한 수소 동위원소 분리 시스템을 사용하여 물(H2O)에 포함된 경수소(H, hydrogen)를 중수소(D, Deuterium) 및 삼중수소(T, Tritium)와 분리하는 방법으로서, 상기 에노드(anode) 부근의 투입구를 통하여 중수소 및 삼중수소를 포함하는 물을 투입하는 단계; 상기 에노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 전압을 가하여 상기 에노드(anode)에서 산소 발생 반응을 수행하고, 산소 발생 반응 결과 발생한 수소 이온이 전기력에 이끌려 캐소드(cathode) 쪽으로 이동하되, 상기 이온 분리막을 투과하여 캐소드(cathode)에 도달하여 수소 발생 반응을 일으켜, 투입수 내의 경수소 몰 분율 대비 농축된 경수소 몰 분율을 갖는 수소 기체를 발생시키는 단계;를 포함하는 수소 동위원소 분리 방법을 제공한다.In addition, the present invention is a method of separating light hydrogen (H, hydrogen) contained in water (H 2 O) from heavy hydrogen (D, Deuterium) and tritium (T, Tritium) using the above-described hydrogen isotope separation system. , injecting water containing deuterium and tritium through an inlet near the anode; A voltage is applied between the anode and the cathode to perform an oxygen generation reaction at the anode, and the hydrogen ions generated as a result of the oxygen generation reaction are attracted by electric force and move toward the cathode. It provides a hydrogen isotope separation method comprising: penetrating the ion separation membrane, reaching the cathode, causing a hydrogen generation reaction, and generating hydrogen gas having a concentrated light hydrogen mole fraction compared to the light hydrogen mole fraction in the input water. .

본 발명에 따른 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체, 이를 이용한 동위원소 분리 시스템을 채용하여 수소 동위원소를 분리하는 경우, 향상된 수소 동위원소 분리능을 가지며, 경수소는 기체로 포집되되 남은 배출수에는 중수소 또는 삼중수소가 농축되어 있어 중수소 농축수 또는 삼중수소 농축수를 제조하는 방법으로도 활용할 수 있으며, 삼중수소 오염수를 처리하는 방법으로도 활용될 수 있다.When separating hydrogen isotopes by employing the composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis according to the present invention and the isotope separation system using the same, it has improved hydrogen isotope separation ability and light hydrogen is collected as gas. The remaining discharged water is concentrated in deuterium or tritium, so it can be used as a method of producing deuterium-enriched water or tritium-concentrated water, and it can also be used as a method of treating tritium-contaminated water.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수소동위원소 분리 시스템에 적용된 수전해용 복합 막-전극 복합체의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수소동위원소 분리 시스템의 핵심 구성만을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 기반 수소동위원소 분리 장치의 구조도를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해 기반 수소동위원소 분리 장치를 적용한 삼중수소 오염수 처리 장치의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수전해용 복합 막-전극 복합체의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이온 분리막과 수소이온 전도성 고분자 전해질막을 접합한 복합 막의 표면 구조를 SEM 현미경으로 촬영한 사진이다.
도 5b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 복합 막-전극 복합체의 모습을 촬영한 사진이다.
도 6은 복합 막-전극 복합체에서 Nafion 단독 막을 사용한 경우, hBN/Nafion 복합막을 사용한 경우 및 그래핀/Nafion 복합막을 사용한 경우의 중수소(D) 및 경중수소(H) 분리 계수를 각각 측정하여 비교 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 복합 막-전극 복합체를 사용한 수소/중수소 또는 삼중수소의 분리 원리를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 8은 도 7에서 사용한 복합 막-전극 복합체에 Nafion 단독 막을 사용한 경우, hBN/Nafion 복합막을 사용한 경우 및 그래핀/Nafion 복합막을 사용한 경우에 삼중수소 분리능을 각각 측정하여 비교 도시한 그래프이다.
도 9a 및 9b는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수전해용 복합 막-전극 복합체에서 Nafion 단독 막을 사용한 것과 그래핀/Nafion 복합 막을 사용하였을 때, 수전해에 의한 수소 동위원소 분리능을 각각 비교하여 나타낸 그래프이다.
1 is a diagram schematically showing the structure of a composite membrane-electrode complex for water electrolysis applied to a hydrogen isotope separation system according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram schematically showing only the core components of a hydrogen isotope separation system according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 3a is a diagram schematically showing the structure of a water electrolysis-based hydrogen isotope separation device according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 3b is a diagram schematically showing the structure of a tritium contaminated water treatment device using a water electrolysis-based hydrogen isotope separation device according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram schematically showing the manufacturing process of a composite membrane-electrode composite for water electrolysis according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 5a is a photograph taken using an SEM microscope of the surface structure of a composite membrane combining an ion separation membrane and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 5b is a photograph of a composite membrane-electrode composite according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 6 shows a comparison of the deuterium (D) and light deuterium (H) separation coefficients measured when Nafion alone, hBN/Nafion composite membrane, and graphene/Nafion composite membrane were used in the composite membrane-electrode composite, respectively. This is one graph.
Figure 7 is a schematic diagram schematically showing the principle of separation of hydrogen/deuterium or tritium using a composite membrane-electrode composite according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a graph comparing the tritium separation performance measured when a Nafion alone membrane, an hBN/Nafion composite membrane, and a graphene/Nafion composite membrane were used in the composite membrane-electrode composite used in FIG. 7.
Figures 9a and 9b show a comparison of the hydrogen isotope separation ability by water electrolysis when a Nafion alone membrane is used and a graphene/Nafion composite membrane is used in a composite membrane-electrode complex for water electrolysis according to a preferred embodiment of the present invention. It's a graph.

이하, 본 발명의 구체적인 구성 및 효과에 대하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, the specific configuration and effects of the present invention will be described in more detail.

종래 수소 동위원소를 포함하는 물로부터 경수소, 중수소 및 삼중수소를 분리하는 방법으로 수전해(water electrolysis)법이 널리 사용되어 왔으나, 이온 전도성 전해질 내에서의 수소 동위원소 간의 확산능 차이가 크지 않아 분리 효과가 크지 않아 다회 반복 분리를 수행하여야 하는 바 그 비용과 시간이 많이 소요되는 단점이 있었다.Conventionally, water electrolysis has been widely used as a method to separate light hydrogen, heavy hydrogen, and tritium from water containing hydrogen isotopes, but the difference in diffusion ability between hydrogen isotopes in the ion conductive electrolyte is not large, so separation is not possible. The effect was not large, so multiple repeated separations had to be performed, which had the disadvantage of being costly and time-consuming.

이에, 본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 연구에 박차를 가하여 분리능이 향상된 수소 동위원소 분리 방법을 개발하였다.Accordingly, the present inventors accelerated research to solve this problem and developed a hydrogen isotope separation method with improved resolution.

본 발명에서는 수소 동위원소 이온 간 투과도 차이를 갖는 반투과성 이온 분리막; 및 상기 반투과성 이온 분리막의 적어도 일면 상에 형성된 수소이온 전도성 고분자 전해질막;을 포함하는 수전해용 복합막; 상기 수전해용 복합막의 양면에 대향되게 형성된 에노드(anode) 촉매; 및 수소 동위원소 교환을 유도하는 캐소드(cathode) 촉매;를 포함하는 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체를 제공하여 현저히 향상된 수소 동위원소 분리능을 갖는 분리 방법을 구현할 수 있었다.In the present invention, a semi-permeable ion separation membrane having a difference in permeability between hydrogen isotope ions; and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane formed on at least one surface of the semi-permeable ion separation membrane; a composite membrane for water electrolysis comprising a. An anode catalyst formed on both sides of the composite membrane for water electrolysis; and a cathode catalyst that induces hydrogen isotope exchange. By providing a composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis, it was possible to implement a separation method with significantly improved hydrogen isotope separation ability.

상기 반투과성 이온 분리막은 바람직하게는 2차원 결정 물질로 이루어진 것일 수 있다. 2차원 결정 물질은 그 격자 사이로 수소 이온을 투과시킬 수 있으되, 경수소 이온, 중수소 이온 및 삼중수소 이온은 중성자 숫자의 차이 때문에 그 크기가 상이하여 2차원 결정 물질의 격자 사이를 투과할 때 투과도의 차이가 발생하게 된다. 따라서, 2차원 결정 물질은 경수소와 중수소, 삼중수소를 분리하는 데 효과적인 반투과막이 될 수 있다.The semi-permeable ion separation membrane may preferably be made of a two-dimensional crystal material. Two-dimensional crystal materials can transmit hydrogen ions between the lattices, but light hydrogen ions, heavy hydrogen ions, and tritium ions have different sizes due to differences in the number of neutrons, so there is a difference in permeability when they pass through the lattices of two-dimensional crystal materials. occurs. Therefore, the two-dimensional crystal material can be an effective semipermeable membrane for separating light hydrogen, heavy hydrogen, and tritium.

본 발명은 또한, 발명의 다른 태양으로서, 수소이온 전도성 고분자 전해질막; 및 상기 수소이온 전도성 고분자 전해질막 내에 수소 동위원소 이온에 대하여 투과도 차이를 갖는 2차원 결정물질이 분산된 수전해용 복합막;을 포함하고, 상기 수전해용 복합막의 양면에 대향되게 형성된 에노드(anode) 촉매; 및 수소 동위원소 교환을 유도하는 캐소드(cathode) 촉매;를 포함하는 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체를 제공한다.The present invention also provides, as another aspect of the invention, a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane; and a composite membrane for water electrolysis in which a two-dimensional crystal material having a difference in permeability to hydrogen isotope ions is dispersed within the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and an anode formed to face both sides of the composite membrane for water electrolysis. catalyst; and a cathode catalyst that induces hydrogen isotope exchange. It provides a composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis, including a cathode catalyst that induces hydrogen isotope exchange.

본 명세서에서, “에노드(anode)”란 수전해 반응에서 산소 발생 반응이 일어나는 전극으로 사전적 의미로는 “양극”을 의미하고, “캐소드(cathode)”란 수전해 반응에서 수소 발생 반응이 일어나는 전극으로 사전적 의미로는 “음극”을 의미한다.In this specification, “anode” means “anode” in the dictionary meaning of the electrode where oxygen generation reaction occurs in water electrolysis reaction, and “cathode” means “anode” where hydrogen generation reaction occurs in water electrolysis reaction. The electrode that occurs means “cathode” in the dictionary.

또한, 본 명세서에서 “에노드(anode) 촉매” 또는 “캐소드(cathode) 촉매”란 에노드가 촉매 물질로 이루어져 있으며 직접 반응에 의하여 소모되는 물질이 아니라는 점을 나타내기 위하여 사용한 용어이며, “에노드(adode)”와 “에노드(anode) 촉매”는 같은 것을 가리키고, “캐소드(cathode)”와 “캐소드(cathode) 촉매”는 같은 것을 가리킨다.In addition, in this specification, “anode catalyst” or “cathode catalyst” is a term used to indicate that the anode is made of a catalytic material and is not a material consumed by a direct reaction, and “in “Node” and “anode catalyst” refer to the same thing, and “cathode” and “cathode catalyst” refer to the same thing.

본 발명은 물의 전기분해 즉 수전해에 의하여 물을 수소와 산소로 분리하는 과정에서, 물을 에노드(anode) 쪽에 투입하여 먼저 산소 발생 반응(OER, Oxygen Evolution Reaction)을 일으켜 산소 기체(O2)가 발생하고, 산소와 함께 발생한 수소 이온이 전해질을 가로질러 캐소드(cathode) 쪽으로 이동하여 캐소드(cathode)에서 수소 발생 반응(HER, Hydrogen Evolution Reaction)을 일으켜 수소 기체(H2)를 발생시키되, 수소 이온이 전해질을 가로질러 이동하는 중 경수소(H, Hydrogen), 중수소(D, Deuterium) 및 삼중수소(T, Tritium)가 각각 전해질 내에서 확산 속도가 상이하여 발생하는 수소 기체에서 경수소의 함량이 높아지는 것을 이용하여 물에는 중수소와 삼중수소가 농축되고 발생 기체는 방사성 동위원소인 삼중수소의 함량이 적어지도록 하는 방식으로 수소 동위원소의 분리를 달성한다.In the present invention, in the process of separating water into hydrogen and oxygen by electrolysis, water is injected into the anode to first cause an oxygen evolution reaction (OER) to produce oxygen gas (O 2 ) is generated, and the hydrogen ions generated along with the oxygen move across the electrolyte toward the cathode, causing a hydrogen evolution reaction (HER) at the cathode to generate hydrogen gas (H 2 ), As hydrogen ions move across the electrolyte, light hydrogen (H, Hydrogen), heavy hydrogen (D, Deuterium), and tritium (T,) each have different diffusion rates within the electrolyte, so the content of light hydrogen in the generated hydrogen gas increases. Separation of hydrogen isotopes is achieved by using the increase in water to concentrate deuterium and tritium and reducing the content of tritium, a radioactive isotope, in the generated gas.

그러나, 상술한 바와 같이, 전해질 내에서의 수소 동위원소 이온의 확산 속도는 특기할 만큼 크지 않아서 종래에는 이러한 분리 방법이 효과적이지 않았으며, 본 발명에서는 상기 전해질에 수소 동위원소 이온 간에 투과 선택성을 갖는 반투과성 이온 분리막을 추가적으로 구비하여 분리능을 현저히 향상시킬 수 있었다. 이러한 이온 분리막은 두 가지 형태로 구비될 수 있다. 한 가지는 반투과성 이온 분리막을 상기 수소이온 전도성 고분자 전해질막과 별도로 구비하는 방법이고, 다른 하나는 상기 수소이온 전도성 고분자 전해질막 내에 상기 반투과성 이온 분리막을 이루는 2차원 결정 물질이 분산되어 있도록 구비하는 방식이다.However, as described above, the diffusion rate of hydrogen isotope ions in the electrolyte is not particularly large, so this separation method has not been effective in the past. In the present invention, the electrolyte has transmission selectivity between hydrogen isotope ions. Separation performance could be significantly improved by additionally providing a semi-permeable ion separation membrane. This ion separation membrane can be provided in two forms. One method is to provide a semi-permeable ion separator separately from the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and the other method is to provide a two-dimensional crystal material forming the semi-permeable ion separator dispersed within the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 복합막-전극 복합체의 제조 공정을 개략적으로 나타낸 모식도이다. 특히, 그 중에서도 반투과성 이온 분리막과 수소이온 전도성 고분자 전해질막이 별개의 층으로 되어 있는 형태의 복합막-전극 복합체의 제조 공정에 대한 것이며, 수소이온 전도성 고분자 전해질막(100) 상에 반투과성 이온 분리막(110)과 금속층(Cu)을 형성하고, 이를 가열 압착한 후 금속을 에칭 등의 방법에 의하여 제거한다. 이후, 이 복합체에 에노드(anode) 및 캐소드(cathode)를 각각 가열 압착하여 복합막-전극 복합체를 제조한다.Figure 3 is a schematic diagram schematically showing the manufacturing process of a composite membrane-electrode composite according to a preferred embodiment of the present invention. In particular, it relates to a manufacturing process of a composite membrane-electrode complex in which a semi-permeable ion separation membrane and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane are separate layers, and a semi-permeable ion separation membrane (110) is formed on the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane (100). ) and a metal layer (Cu) are formed, heated and compressed, and then the metal is removed by a method such as etching. Afterwards, an anode and a cathode are heated and pressed to this composite to manufacture a composite membrane-electrode composite.

이 때, 복합막-전극 복합체의 전극은 다공성 수송층 또는 기체확산층상에 분말 상태로 코팅된 형태로 부착한 체로 상기 복합막에 부착하여 형성될 수도 있고, 전극 촉매 자체를 직접 상기 복합막에 전사 또는 부착하여 제조할 수도 있다.At this time, the electrode of the composite membrane-electrode composite may be formed by attaching it to the composite membrane in a powder-coated form on a porous transport layer or gas diffusion layer, or by directly transferring the electrode catalyst itself to the composite membrane. It can also be manufactured by attaching it.

후자의 경우 전극-복합막-전극의 3층 구조 복합체에 다공성 수송층 또는 기체확산층을 합지하여 복합체를 최종 제조할 수 있으며, 전자의 경우 carbon paper 등 다공성 수송층 또는 기체확산층에 전극(촉매)의 분말을 코팅한 후 이를 분리막에 부착하여 최종 제조할 수 있다.In the latter case, the final composite can be manufactured by laminating a porous transport layer or gas diffusion layer to the three-layer structure composite of electrode-composite membrane-electrode, and in the former case, powder of the electrode (catalyst) is added to the porous transport layer or gas diffusion layer such as carbon paper. After coating, it can be finalized by attaching it to a separator.

그러나, 상기 반투과성 이온 분리막은 반드시 도 3과 같이 수소이온 전도성 고분자 전해질막의 일면에만 형성되어야 하는 것은 아니며, 양면에 형성되어 있는 형태를 사용할 수도 있다.However, the semi-permeable ion separation membrane does not necessarily have to be formed on only one side of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane as shown in FIG. 3, and may be formed on both sides.

상기 반투과성 이온 분리막은 2차원 결정 물질로 이루어져 있으되, 상기 2차원 결정 물질은 그 결정 격자를 통하여 수소 이온이 투과할 수 있어 에노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에서 수소 이온이 이동할 수 있도록 한다. 그러나, 결정 격자의 크기에 따라서 경수소, 중수소 및 삼중수소는 각각 그 확산 속도에 차이가 있어 결국 경수소가 많이 투과하고 중수소 및 삼중수소는 그 투과도가 낮아, 투과되어 캐소드(cathode)에서는 경수소가 많이 포함된 수소 기체가 발생하게 되며, 에노드(anode) 쪽에서는 중수소와 삼*수소의 농도가 농축된 물이 남아 있게 된다.The semi-permeable ion separation membrane is made of a two-dimensional crystal material, and the two-dimensional crystal material allows hydrogen ions to pass through its crystal lattice, allowing hydrogen ions to move between the anode and the cathode. . However, depending on the size of the crystal lattice, light hydrogen, heavy hydrogen, and tritium each have different diffusion rates, resulting in a lot of light hydrogen permeating, while heavy hydrogen and tritium have low permeability, so the cathode contains a lot of light hydrogen. Hydrogen gas is generated, and water with a concentrated concentration of deuterium and trihydrogen remains at the anode.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 2차원 결정 물질은 그래핀(graphene), 육방정계 질화붕소(hexagonal Boron Nitride, hBN), g-C3N4, 흑린(Black Phosphorus), 보로핀(borophene), 그래파인(graphyne), 그래다인(graphdiyne), 층상규산염광물(phyllosilicate), 전이금속 산화물, 및 층상이중수화물(layered double hydroxide) 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 수소 이온에 대하여 전도성을 갖는 2차원적 결정 구조를 갖는 물질로서 본 발명의 목적을 달성하는 데 방해되는 성질을 갖지 않는 것이라면(가령 전해질에 분해된다든지 하는) 어느 것이든 사용 가능하다.In a preferred embodiment of the present invention, the two-dimensional crystal material is graphene, hexagonal Boron Nitride (hBN), g-C3N4, Black Phosphorus, borophene, It may be one or more selected from graphene, graphdiyne, phyllosilicate, transition metal oxide, and layered double hydroxide. However, it is not necessarily limited to this, as long as it is a material with a two-dimensional crystal structure that is conductive to hydrogen ions and does not have properties that interfere with achieving the purpose of the present invention (e.g., decomposition in electrolyte). Anything can be used.

바람직하게는 그래핀 또는 육방정계 질화붕소 결정을 사용하여 이온 분리막을 형성할 수 있다.Preferably, the ion separation membrane can be formed using graphene or hexagonal boron nitride crystals.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 반투과성 이온 분리막은 상기 2차원 결정 물질이 1~100층으로 적층된 구조를 갖는 것일 수 있다. 100층을 초과하게 되면 지나치게 전해질 내에서의 수소 이온의 전도성이 떨어지게 되므로 오히려 많은 전력을 투입하여야 하는 등 본 발명의 목적과는 대치되는 특성을 갖게 되므로 적절하지 않다. 더욱 바람직하게는 상기 반투과성 이온 분리막은 상기 2차원 결정 물질의 층이 10~30층으로 적층된 구조를 갖는 것일 수 있다. 상기 2차원 결정 물질의 결정 격자로서 중수소 또는 삼중수소 이온이 전혀 통과할 수 없는 것은 아니기 때문에, 적층 횟수가 많은 것이 분리능의 향상에 유리한 것이지만, 지나치게 적층 횟수가 많은 경우 경수소 이온 또한 투과도가 떨어지는 문제가 있기 때문에 상기와 같은 범위로 그 적층 횟수를 제한함이 바람직하다.In a preferred embodiment of the present invention, the semi-permeable ion separation membrane may have a structure in which 1 to 100 layers of the two-dimensional crystal material are stacked. If the number of layers exceeds 100, the conductivity of hydrogen ions in the electrolyte decreases excessively, so it is not appropriate because it has characteristics that run counter to the purpose of the present invention, such as requiring a lot of power to be input. More preferably, the semi-permeable ion separation membrane may have a structure in which 10 to 30 layers of the two-dimensional crystal material are stacked. Since deuterium or tritium ions cannot pass through the crystal lattice of the two-dimensional crystal material at all, a large number of stackings is advantageous for improving resolution, but if the number of stackings is too high, light hydrogen ions also have a problem of reduced transmittance. Therefore, it is desirable to limit the number of layers to the above range.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 반투과성 이온 분리막은 한 층당 상기 2차원 결정 물질이 연속된 하나의 층을 이루고 있는 것일 수 있다. 즉, 하나의 막 전체가 하나의 결정으로 되어 있는 막으로 이루어져 있는 것일 수 있다. 또한, 다른 양태로는 상기 반투과성 이온 분리막은 상기 2차원 결정 물질의 10nm ~ 100㎛의 면방향 지름을 갖는 플레이크(flake)들이 집합된 형태를 갖는 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the semi-permeable ion separation membrane may have one continuous layer of the two-dimensional crystal material per layer. In other words, the entire membrane may be composed of a single crystal. Additionally, in another embodiment, the semi-permeable ion separation membrane may have a form in which flakes of the two-dimensional crystal material with a surface diameter of 10 nm to 100 μm are aggregated.

여기서 플레이크(flake)들이 “집합되었다”는 용어의 의미는 박편 형태의 2차원 결정 물질들이 압착되어 하나의 반투과성 이온 분리막을 형성하고 있는 형태를 의미한다.Here, the term “flakes are assembled” refers to a form in which two-dimensional crystal materials in the form of flakes are compressed to form a semi-permeable ion separation membrane.

또한, “##nm(또는 ##㎛)의 면방향 지름을 갖는 플레이크(flake)”란, 플레이크 형상의 입자가 면방향에 대하여 ##nm(또는 ##㎛)의 지름을 갖는 원과 같은 면적을 갖는 것을 의미한다.Additionally, “flake having an in-plane diameter of ##nm (or ##μm)” means that flake-shaped particles are like circles having a diameter of ##nm (or ##μm) in the in-plane direction. It means having an area.

두 경우 모두 수소 동위원소 이온들에 대한 투과도의 차이를 나타내는 것이지만, 바람직하게는 각 층이 단일 결정으로 이루어진 형태가 분리능에는 우수하다. 반대로 2차원 결정 물질의 플레이크 집합으로 반투과성 이온 분리막이 이루어진 경우에는 제조 비용을 절감할 수 있다.In both cases, there is a difference in permeability to hydrogen isotope ions, but preferably, each layer is made of a single crystal, which is superior in separation performance. Conversely, if a semi-permeable ion separation membrane is made of a collection of flakes of a two-dimensional crystal material, manufacturing costs can be reduced.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 수소이온 전도성 고분자막은 술폰화된 테트라플루오로에틸렌계 플루오로폴리머-코폴리머, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(poly ether ether ketone, PEEK) 및 폴리술폰(polysulfone) 중에서 선택된 하나 이상일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the hydrogen ion conductive polymer membrane is sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymer, polybenzimidazole, sulfonated polyether ether ketone (poly ether ether) It may be one or more selected from ketone, PEEK) and polysulfone.

수소이온 전도성 고분자막은 이온 전도도를 갖는 고분자 전해질 중해서 선택될 수 있는 것이지만, 반드시 위에 열거된 것들 중에서 선택되어야 하는 것은 아니며, 수전해용 고분자 전해질막으로 사용할 수 있는 것이라면 제한 없이 선택 가능하다.The hydrogen ion conductive polymer membrane can be selected from polymer electrolytes having ionic conductivity, but does not necessarily have to be selected from those listed above, and can be selected without limitation as long as it can be used as a polymer electrolyte membrane for water electrolysis.

에노드(anode)는 산소 발생 반응을 수행하기 위한 전극 촉매로서, 바람직하게는 높은 전류 밀도에서도 안정성을 갖는 물질인 이리듐(Ir) 및 이의 산화물을 포함하며, 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 란타넘(La), 백금(Pt), 망간(Mn), 텅스텐(W), 루비듐(Ru) 중 하나 이상을 함유하는 합금 및 산화물 중에서 선정된 촉매를 사용할 수 있다.The anode is an electrode catalyst for performing an oxygen generation reaction, and preferably includes iridium (Ir) and its oxide, which are materials that are stable even at high current densities, and include nickel (Ni), cobalt (Co), A catalyst selected from alloys and oxides containing one or more of iron (Fe), lanthanum (La), platinum (Pt), manganese (Mn), tungsten (W), and rubidium (Ru) can be used.

또한, 캐소드(cathode)는 수소 발생 반응을 수행하기 위한 전극 촉매로서, 바람직하게는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 이리듐(Ir), 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe), 알루미늄(Al) 및 크롬(Cr) 중에서 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. 그러나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 이들은 다공성 탄소 및 탄소화합물 분말 등에 담지된 채로 사용될 수 있고, 그렇지 않고 직접 사용될 수도 있다.In addition, the cathode is an electrode catalyst for performing a hydrogen generation reaction, and is preferably platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), gold (Au), silver (Ag), and copper (Cu). , one or more selected from iridium (Ir), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), aluminum (Al), and chromium (Cr) can be used. However, it is not necessarily limited to this. They may be used while supported on porous carbon or carbon compound powder, or may be used directly.

또한, 본 발명은 상술한 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체를 포함하되, 상기 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체는 에노드(anode) 부근에 투입수(water)를 주입하는 투입구 및 산화-환원 반응에 의하여 발생한 산소(O2) 및 미반응 물의 배출구를 포함하며, 케소드(cathode) 부근에는 산화-환원 반응에 의하여 발생한 수소(H2)의 배출구를 포함하는 수소 동위원소 분리 시스템을 제공한다.In addition, the present invention includes the above-described composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis, wherein the composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis includes input water near the anode. It includes an inlet for injecting water and an outlet for oxygen (O 2 ) and unreacted water generated by the oxidation-reduction reaction, and an outlet for hydrogen (H 2 ) generated by the oxidation-reduction reaction near the cathode. It provides a hydrogen isotope separation system including.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 복합막-전극 복합체를 포함하는 수소 동위원소 분리 시스템의 핵심 구성만을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참고하면, 수소이온 전도성 고분자 전해질막(100)과 반투과성 이온 분리막(110)이 양 전극(121, 122) 사이에 위치해 있어 이온을 선택적으로 투과(투과도에 차이가 있음)시킬 수 있으며, 에노드(anode)(121)에는 투입수(water)를 투입할 수 있는 투입구(121')가 구비되어 있어 수전해를 수행할 수 있다. 이로부터 에노드(anode)에서는 산소 기체가 발생하는 산소 발생 반응이 일어나게 되며, 발생한 산소는 배출구(121”)로 배출될 수 있음을 알 수 있다. 산소 발생 반응에서는 수소 이온(H+)이 발생하게 되는데, 수소 생성 반응은 수소 이온이 캐소드(cathode)(122)에서 겪는 반응으로서, 수소 이온은 전기력에 의하여 캐소드(cathode)로 이끌려 이동하며 고분자 전해질막(100) 및 반투과성 이온 분리막(110)의 복합막을 투과하게 된다. 이 때, 투과도는 경수소가 높고 상대적으로 중수소 및 삼중수소는 낮기 때문에 수소 발생 반응에서는 경수소의 몰 분율이 투입수(water) 내에 포함되어 있던 경수소의 몰 분율보다 크게 된다. 발생한 수소 기체는 캐소드(cathode) 쪽 배출구(122”)를 통하여 배출되게 된다. 반응하지 않은 물은 에노드(anode) 쪽 배출구로 배출되며, 도면상으로는 산소 기체의 배출구와 배출수의 배출구가 동일한 것으로 그려져 있지만 반드시 그럴 필요는 없다. 중요한 것은 수소 이온은 반투과성 이온 분리막(110)을 투과하지만 물 분자는 그렇지 못하다. 물 분자는 이온 분리막(110)에 결함(defect)가 있는 경우에만 이동할 수 있어 투과도가 매우 낮다. 따라서, 경수소가 차츰 캐소드(cathode) 쪽으로 투과하여 수소 발생 반응을 일으키게 되는 결과, 배출수에는 중수소와 삼중수소의 농도가 농축되게 된다.Figure 2 is a diagram schematically showing only the core components of a hydrogen isotope separation system including a composite membrane-electrode complex according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane 100 and the semi-permeable ion separation membrane 110 are located between the two electrodes 121 and 122, allowing ions to selectively permeate (there is a difference in permeability). The anode 121 is provided with an inlet 121' through which water can be injected, so that water electrolysis can be performed. From this, it can be seen that an oxygen generation reaction in which oxygen gas is generated occurs at the anode, and the generated oxygen can be discharged through the outlet (121”). In the oxygen generation reaction, hydrogen ions (H + ) are generated. The hydrogen generation reaction is a reaction that hydrogen ions undergo at the cathode 122. The hydrogen ions are attracted to the cathode by electric force and move to the polymer electrolyte. It passes through the composite membrane of the membrane 100 and the semi-permeable ion separation membrane 110. At this time, since the permeability is high for light hydrogen and relatively low for deuterium and tritium, the mole fraction of light hydrogen in the hydrogen generation reaction becomes larger than the mole fraction of light hydrogen contained in the input water (water). The generated hydrogen gas is discharged through the cathode side outlet (122”). Unreacted water is discharged through the anode side outlet. In the drawing, the oxygen gas outlet and the discharged water outlet are depicted as the same, but this is not necessarily the case. Importantly, hydrogen ions penetrate the semi-permeable ion separation membrane 110, but water molecules do not. Water molecules can move only when there is a defect in the ion separation membrane 110, so the permeability is very low. Accordingly, light hydrogen gradually penetrates toward the cathode and causes a hydrogen generation reaction, resulting in a concentrated concentration of deuterium and tritium in the discharged water.

이러한 시스템을 운용하는 데 있어서 중수소와 삼중수소가 농축된 배출수는 다시 펌프를 통하여 투입구로 투입될 수 있으며, 이러한 분리 과정을 반복함으로써 물 내에서 중수소와 삼중수소의 몰 분율(mole fraction)을 점차 농축시킬 수 있다.In operating this system, the discharged water enriched in deuterium and tritium can be fed back into the inlet through the pump, and by repeating this separation process, the mole fraction of deuterium and tritium in the water is gradually concentrated. You can do it.

이러한 시스템은 또한 다른 장치들과 결합하여 중수소 등 동위원소를 농축하기 위한 설비로 사용하거나 방사성 수소 동위원소에 오염된 물을 처리하는 장치로 사용할 수 있다.This system can also be used in combination with other devices to enrich isotopes such as deuterium or to treat water contaminated with radioactive hydrogen isotopes.

본 발명은 또한, 상술한 수소 동위원소 분리 시스템을 사용하여 물(H2O)에 포함된 경수소(H, hydrogen)를 중수소(D, Deuterium) 및 삼중수소(T, Tritium)와 분리하는 방법으로서, 상기 에노드(anode) 부근의 투입구를 통하여 중수소 및 삼중수소를 포함하는 물을 투입하는 단계; 및 상기 에노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 전압을 가하여 상기 에노드(anode)에서 산소 발생 반응을 수행하고, 산소 발생 반응 결과 발생한 수소 이온이 전기력에 이끌려 캐소드(cathode)로 이동하되, 상기 반투과성 이온 분리막을 투과하여 캐소드(cathode)에 도달하여 수소 발생 반응을 일으켜, 투입수 내의 경수소 몰 분율 대비 농축된 경수소 몰 분율을 갖는 수소 기체를 발생시키는 단계;를 포함하는 수소 동위원소 분리 방법을 제공한다.The present invention also provides a method for separating light hydrogen (H, hydrogen) contained in water (H 2 O) from heavy hydrogen (D, Deuterium) and tritium (T, Tritium) using the above-described hydrogen isotope separation system. , injecting water containing deuterium and tritium through an inlet near the anode; And a voltage is applied between the anode and the cathode to perform an oxygen generation reaction at the anode, and the hydrogen ions generated as a result of the oxygen generation reaction are attracted by electric force and move to the cathode, A hydrogen isotope separation method comprising: passing through the semi-permeable ion separation membrane and reaching the cathode to cause a hydrogen generation reaction, thereby generating hydrogen gas having a concentrated light hydrogen mole fraction compared to the light hydrogen mole fraction in the input water. to provide.

바람직하게는 상기 수소 동위원소 분리 방법은 0℃ 내지 80℃에서 수행할 수 있다. 그보다 저온에서는 물이 얼 수 있기 때문에 적절하지 않고, 80℃를 초과하는 경우 분리 효과가 저해될 수 있으므로 이상의 범위에서 수행함이 가장 적당하다. 또한, 분리 장치의 구동 조건은 0.1 ~ 3 A/㎠ 이내가 적절하고, 전압은 물을 분해할 수 있는 1.5V 이상의 범위로 설정함이 적당하다. 상한선에는 특별히 제한이 없으나, 높으면 높을수록 비용이 증가하게 되므로 적당하게는 3V 이내에서 수행할 수 있다.Preferably, the hydrogen isotope separation method can be performed at 0°C to 80°C. Lower temperatures than that are not appropriate because water may freeze, and if the temperature exceeds 80°C, the separation effect may be impaired, so it is most appropriate to carry out the procedure within the above range. In addition, the operating conditions of the separation device are appropriately within 0.1 to 3 A/cm2, and the voltage is appropriately set to a range of 1.5V or more, which can decompose water. There is no particular limit to the upper limit, but the higher it is, the more the cost increases, so it can be performed within 3V as appropriate.

이는 상기 설명한 바와 같이 도 2에 나타난 바와 같이 수행될 수 있으며, 도 6을 참고하면, 투입된 물이 에노드(anode)에서 산소 발생 반응을 일으키고 발생된 수소 이온이 기전력에 이끌려 캐소드(cathode)로 이동하되 중수소 이온(D+) 및 삼중수소 이온(T+)은 투과도가 낮으므로 수소 발생 반응은 경수소의 비중이 높게 된다.This can be performed as shown in FIG. 2 as described above, and referring to FIG. 6, the introduced water causes an oxygen generation reaction at the anode and the generated hydrogen ions are attracted by electromotive force and move to the cathode. However, since deuterium ions (D + ) and tritium ions (T + ) have low permeability, the proportion of light hydrogen is high in the hydrogen generation reaction.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 태양을 실시예를 들어 설명하기로 한다. 본 발명의 구성은 청구범위에 기재된 구성에 의하여서만 한정되는 것이며, 실시예는 단지 본 발명의 구체적인 모습을 예시를 들어 설명하기 위한 것일 뿐 그 권리 범위를 제한하는 것은 아니다. 통상의 기술자들은 이하의 실시예를 참고하여 본 발명의 비필수적인 구성을 부가, 변경 또는 삭제하여 발명의 권리범위에 속하는 발명을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to examples. The configuration of the present invention is limited only by the configuration described in the claims, and the examples are merely for illustrating specific aspects of the present invention by way of example and do not limit the scope of the invention. Those skilled in the art will be able to easily implement the invention within the scope of the invention by adding, changing, or deleting non-essential components of the invention by referring to the following examples.

<실시예><Example>

실시예 1: 복합 막-전극 복합체 기반 수전해 셀 제조Example 1: Preparation of water electrolysis cell based on composite membrane-electrode composite

그래핀 단일층이 증착된 구리 포일(foil)을 수소 이온전도성 고분자인 Nafion 막 상에 배치하고, 핫 프레스기를 이용하여 부착시켰다. 이후, 암모늄 퍼설페이트 용액을 이용하여 구리를 제거하였다.A copper foil on which a single layer of graphene was deposited was placed on a Nafion membrane, a hydrogen ion-conducting polymer, and attached using a hot press machine. Afterwards, copper was removed using an ammonium persulfate solution.

상기의 그래핀-Nafion 복합막을 Ir black 전극 코팅된 Ti mesh (2 mg/㎠)와 Pt/C가 코팅된 카본 페이퍼(carbon paper) (0.4 mg/㎠) 사이에 위치시킨 후 핫 프레스를 이용하여 접합시켜 수전해용 복합막-전극 복합체를 제조하였다.The above graphene-Nafion composite film was placed between Ti mesh (2 mg/cm2) coated with Ir black electrode and carbon paper (0.4 mg/cm2) coated with Pt/C and then used a hot press. By bonding, a composite membrane-electrode composite for water electrolysis was manufactured.

위와 같이 제조된 복합막-전극 복합체를 가스켓(gasket), 티타늄 바이폴라플레이트, 알루미늄 엔드 플레이트 등을 이용하여 수전해 스택을 조립하였다.The composite membrane-electrode complex prepared as above was assembled into a water electrolysis stack using gaskets, titanium bipolar plates, aluminum end plates, etc.

실시예 2: 복합 막-전극 복합체 기반 수전해 셀 제조Example 2: Preparation of water electrolysis cell based on composite membrane-electrode composite

실시예 1과 동일하게 실시하되 이온 분리막으로서 그래핀 시트 대신 헥사고날 질화붕소(hBN) 시트를 사용한 점을 다르게 하여 수전해 스택을 조립하였다.A water electrolysis stack was assembled in the same manner as in Example 1, except that a hexagonal boron nitride (hBN) sheet was used as an ion separator instead of a graphene sheet.

비교예 1: 복합 막-전극 복합체 기반 수전해 셀 제조Comparative Example 1: Manufacturing of water electrolysis cell based on composite membrane-electrode composite

실시예 1과 동일하게 실시하되, 이온 분리막 없이 나피온 고분자막만을 가지고 수전해 스택을 조립하였다.The same procedure as in Example 1 was performed, but a water electrolysis stack was assembled using only the Nafion polymer membrane without the ion separation membrane.

<실험예><Experimental example>

실험예 1: 수소/중수소 분리능의 평가Experimental Example 1: Evaluation of hydrogen/deuterium separation ability

수조에 증류수를 넣은 후, 액체 이송 펌프를 이용하여 실시예 및 비교예에 따라서 제조된 복합막-전극 복합체 기반 수전해 셀의 에노드(anode) 측에 물을 투입하고, 전원 공급 장치를 이용하여 0.28 A/㎠이 되도록 전류를 공급하였다. 수전해 셀의 온도는 수조의 온도 제어를 통해 15 ~ 75℃가 되도록 조절하였다.After adding distilled water to the water tank, water was introduced into the anode side of the composite membrane-electrode composite-based water electrolysis cell manufactured according to Examples and Comparative Examples using a liquid transfer pump, and using a power supply device. Current was supplied to 0.28 A/cm2. The temperature of the water electrolysis cell was adjusted to 15 to 75°C by controlling the temperature of the water tank.

캐소드(cathode)에서 발생하는 수소 기체에 함유된 수분은 냉각 장치를 통해 회수하고 수소 기체는 사중극자 질량 분석기 또는 물질균형식을 통해 수소 동위 원소 비를 측정하였고, 수조 및 캐소드(cathode)에서 발생한 물의 수소/중수소 비율은 cavity ring down spectrometer를 이용하여 정량 분석하여 수소/중수소의 분리를 확인하였다.The moisture contained in the hydrogen gas generated from the cathode was recovered through a cooling device, the hydrogen isotope ratio of the hydrogen gas was measured using a quadrupole mass spectrometer or mass balance equation, and the hydrogen in the water generated from the water tank and cathode was measured. The /deuterium ratio was quantitatively analyzed using a cavity ring down spectrometer to confirm the separation of hydrogen/deuterium.

도 6은 146ppm의 중수소를 함유한 증류수로부터 경수소를 수소 기체 형태로 분리하였을 때, 수소기체 내 중수소의 함량이 저감되었음을 측정한 것이다. 좌측의 그래프는 가동 온도를 달리하였을 때 발생 수소 기체 내 중수소의 함량을 나타낸 것으로서, Nafion은 비교예 1, hBN/Nafion은 실시예 2, Graphene/Nafion은 실시예 1애 따른 수전해 스택에 의하여 수소 동위원소 분리를 실시한 결과이다. 도 6 좌측 그래프를 참고하면, 가동 온도가 높아질수록 발생기체 내 중수소의 함량이 높게 얻어졌으므로 온도는 낮을수록 분리 효율이 우수한 것을 확인할 수 있었으며, Nafion 전해질막만을 사용한 비교예 1보다는 hBN 또는 graphene 이온 분리막을 함께 사용한 복합막-전극 복합체를 사용한 실시예 1 및 2가 더 중수소를 효과적으로 분리하였다는 것을 알 수 있었다. 또한, 실시예 1과 실시예 2를 비교하면 hBN보다는 그래핀이 더욱 분리능이 우수하다는 것을 알 수 있었다.Figure 6 shows a measurement showing that when light hydrogen was separated in the form of hydrogen gas from distilled water containing 146 ppm of deuterium, the content of deuterium in the hydrogen gas was reduced. The graph on the left shows the content of deuterium in the hydrogen gas generated when the operating temperature was changed. Nafion was produced in Comparative Example 1, hBN/Nafion was produced in Example 2, and Graphene/Nafion was produced by the water electrolysis stack according to Example 1. This is the result of isotope separation. Referring to the graph on the left of FIG. 6, as the operating temperature increased, the content of deuterium in the generated gas increased, so it was confirmed that the lower the temperature, the better the separation efficiency. Rather than Comparative Example 1 using only the Nafion electrolyte membrane, the hBN or graphene ion separation membrane was used. It was found that Examples 1 and 2, which used a composite membrane-electrode composite together, separated deuterium more effectively. Additionally, comparing Example 1 and Example 2, it was found that graphene had better resolution than hBN.

도 6 우측 그래프는 각 실험 결과의 D/H 분리 계수를 각각 도시한 그래프이다.The graph on the right side of Figure 6 is a graph showing the D/H separation coefficient of each experimental result.

D/H 분리 계수는 발생 기체 내 중수소 농도 대비 잔류 액체(증류수) 내 중수소의 농도로 정의하였다. 도 6 우측 그래프를 참조하면, 도 6 좌측의 그래프와 마찬가지로 Nafion 단독 막을 사용한 경우에 비하여 복합막을 사용한 경우가, 그 중에서도 hBN보다는 그래핀 막을 사용한 경우에 더욱 우수한 분리능을 나타낸다는 것을 확인할 수 있었다. 구체적으로 실시예의 경우가 비교예에 비하여 약 1.5 ~ 2배 가량 향상된 분리 계수를 갖는다는 것을 알 수 있었다.The D/H separation coefficient was defined as the concentration of deuterium in the residual liquid (distilled water) compared to the concentration of deuterium in the generated gas. Referring to the graph on the right side of FIG. 6, like the graph on the left side of FIG. 6, it was confirmed that the case where a composite membrane was used compared to the case where a Nafion membrane alone was used, and in particular, when a graphene membrane was used rather than hBN, better separation performance was observed. Specifically, it was found that the examples had a separation coefficient that was improved by about 1.5 to 2 times compared to the comparative examples.

실험예 2: 수소/삼중수소 분리능의 평가Experimental Example 2: Evaluation of hydrogen/tritium resolution

수조에 증류수를 넣은 후, 액체 이송 펌프를 이용하여 수소 이온 분리층을 포함한 복합막-전극 복합체 기반 수전해 셀의 에노드(anode) 측에 물을 순환시키고, 전원 공급 장치를 이용하여 0.28 A/㎠이 되도록 전류를 공급하였다. 수전해 셀의 온도는 상온에서 구동하였다.After adding distilled water to the water tank, the water is circulated to the anode side of the water electrolysis cell based on the composite membrane-electrode complex including the hydrogen ion separation layer using a liquid transfer pump, and the power supply is used to circulate the water at 0.28 A/ Current was supplied to make it ㎠. The water electrolysis cell was operated at room temperature.

캐소드(cathode)에서 발생하는 수소 기체에 함유된 수분은 냉각 장치를 통해 회수하였으며, 수소 기체는 이온 챔버 분석기를 통해 삼중 수소의 농도를 측정하였으며, 수조 및 캐소드(cathode)에서 발생한 물의 삼중수소 농도는 액체 섬광 계수기를 이용하여 정량 분석하였다.The moisture contained in the hydrogen gas generated from the cathode was recovered through a cooling device, the tritium concentration of the hydrogen gas was measured using an ion chamber analyzer, and the tritium concentration of the water generated from the water tank and cathode was Quantitative analysis was performed using a liquid scintillation counter.

도 8은 4.6 MBq/L의 삼중수소수로부터 분리장치를 통해 경수소를 수소기체 형태로 분리한 예로, 발생한 수소기체 내 삼중수소의 함량을 이온 챔버로 실시간 분석한 결과를 나타내는 것이다.(1시간 동안 상온에서 0.28 A/㎠으로 구동)Figure 8 shows an example of separation of light hydrogen in the form of hydrogen gas from 4.6 MBq/L of tritium water through a separation device, and shows the results of real-time analysis of the content of tritium in the generated hydrogen gas using an ion chamber (for 1 hour). Operated at 0.28 A/cm2 at room temperature)

도 8을 참조하면, 실시예 1 및 2에 의한 결과가(각각 Graphene/Nafion과 hBN/Nafion으로 표시) 비교예에 의한 분리 결과(Nafion으로 표시)에 비해 발생 기체 내에서 삼중수소의 함량이 적게 관찰되어 더욱 우수한 분리능을 가지면, 이 실험에서도 마찬가지로 그래핀-Nafion 복합막을 사용한 실시예 1에서의 분리능이 가장 우수한 것으로 확인되었다.Referring to FIG. 8, the results of Examples 1 and 2 (expressed as Graphene/Nafion and hBN/Nafion, respectively) have a lower content of tritium in the generated gas compared to the separation results (expressed as Nafion) according to the comparative example. When observed to have superior resolution, it was confirmed in this experiment that the resolution in Example 1 using the graphene-Nafion composite membrane was the best.

또한, 4.6 MBq/L의 삼중수소수로부터 분리장치를 통해 경수소를 수소 기체 형태로 분리하였을 때, 캐소드(cathode)에서 발생한 투과수의 삼중수소 농도(Wcathode), 반응 후 수조 내 삼중수소 농도(WRf), 총괄분리계수 (β(T/H)total 또는 βtotal = (WRf/G) ) 및 캐소드(cathode) 분리계수(β(T/H)cathode 또는 βcathode = (Wcathode/G))를 각각 하기 표 1에 나타내었다.In addition, when light hydrogen was separated into hydrogen gas form from 4.6 MBq/L of tritium water through a separation device, the tritium concentration (W cathode ) in the permeate water generated at the cathode and the tritium concentration in the water tank after reaction ( W Rf ), overall separation coefficient (β(T/H) total or β total = (W Rf /G) ) and cathode separation coefficient (β(T/H) cathode or β cathode = (W cathode /G) )) are shown in Table 1 below, respectively.

WRf(MBq/L)W Rf (MBq/L) WRf(MBq/L)W Rf (MBq/L) Wcathode(MBq/L)W cathode (MBq/L) G(kBq/㎥)G(kBq/㎥) βtotal β total βcathode β cathode 실시예 1Example 1 4.68±0.054.68±0.05 4.71±0.054.71±0.05 5.06±0.065.06±0.06 271.89±0.11271.89±0.11 12.78±0.3712.78±0.37 13.71±0.4013.71±0.40 실시예 2Example 2 4.69±0.554.69±0.55 4.72±0.044.72±0.04 5.07±0.085.07±0.08 327.40±0.01327.40±0.01 10.61±0.3710.61±0.37 13.71±0.4013.71±0.40 비교예 1Comparative Example 1 4.62±0.124.62±0.12 4.66±0.124.66±0.12 4.94±0.124.94±0.12 484.08±0.02484.08±0.02 7.08±0.167.08±0.16 7.52±0.207.52±0.20

위의 표 1을 참고하면, 실시예 1 및 2에 따른 수전해 복합 셀을 사용하여 수소 동위원소를 분리한 경우 발생기체 내 삼중수소 농도(G)가 낮아진 것을 확인할 수 있었다. 또한, 캐소드(cathode)에서 발생한 투과수의 삼중수소 농도는(Wcathode)는 반응 후 수조 내 삼중수소 농도(WRf)보다 높은 것을 나타내며, 캐소드(cathode)에서 발생한 물을 추가적인 분리장치를 통과시키는 경우의 농축도를 높일 수 있었다.Referring to Table 1 above, it was confirmed that when hydrogen isotopes were separated using the water electrolysis composite cell according to Examples 1 and 2, the tritium concentration (G) in the generated gas was lowered. In addition, the tritium concentration of the permeated water generated from the cathode (W cathode ) is higher than the tritium concentration (W Rf ) in the water tank after reaction, and the water generated from the cathode is passed through an additional separation device. The concentration of cases could be increased.

또한, 총괄 분리계수(βtotal) 및 캐소드(cathode) 분리계수 βcathode 또한, 실시예 1 및 2에 따른 분리 방법이 비교예 1에 따른 분리 방법에 따른 경우에 비하여 최대 1.82배 향상된 것을 알 수 있었다.In addition, it was found that the overall separation coefficient (β total ) and cathode separation coefficient β cathode were improved by up to 1.82 times in the separation method according to Examples 1 and 2 compared to the separation method according to Comparative Example 1. .

도 9a 및 도 9b는 실시예 1과 비교예 1에 따른 수전해에 의한 수소/삼중수소 분리 방법을 수행한 결과를 각각 비교 도시한 그래프이다. 도 9a는 구체적으로 발생 기체 내의 삼중수소의 함량을, 도 9b는 구체적으로 캐소드(cathode) 분리계수를 실시간으로 비교한 것이다. 도 9a 및 도 9b를 참고하면, 8시간 동안 분리를 수행함에 따라서 수조 내 삼중수소가 점점 증가하고, 그에 따라서 기체 내 삼중수소의 함량 또한 미세하게 증가하는 것을 알 수 있었지만, 분리 계수는 일정하게 유지되었다.Figures 9a and 9b are graphs showing comparative results of the hydrogen/tritium separation method by water electrolysis according to Example 1 and Comparative Example 1, respectively. Figure 9a specifically compares the tritium content in the generated gas, and Figure 9b specifically compares the cathode separation coefficient in real time. Referring to Figures 9a and 9b, it was seen that as the separation was performed for 8 hours, the tritium in the water tank gradually increased, and the content of tritium in the gas also slightly increased accordingly, but the separation coefficient remained constant. It has been done.

100: 수소이온전도성 고분자 전해질막
110: 이온 분리막
121: 에노드(anode)
121': 주입구
121”: 배출구
122: 캐소드(cathode)
122”: 배출구
100: Hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane
110: Ion separation membrane
121: anode
121': Inlet
121”: outlet
122: cathode
122”: outlet

Claims (10)

수소 이온 동위원소에 대하여 투과도 차이를 갖는 반투과성 이온 분리막 및 상기 이온 분리막의 적어도 일면 상에 형성된 수소이온 전도성 고분자 전해질막;을 포함하는 수전해용 복합막; 및
상기 수전해용 복합막의 양면에 대향되게 형성된 에노드(anode) 촉매 및 수소 동위원소 교환을 유도하는 캐소드(cathode) 촉매;를 포함하는
수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체.
A composite membrane for water electrolysis comprising a semi-permeable ion separation membrane having a difference in permeability to hydrogen ion isotopes and a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane formed on at least one surface of the ion separation membrane; and
An anode catalyst formed opposite to both sides of the composite membrane for water electrolysis and a cathode catalyst for inducing hydrogen isotope exchange; comprising
Composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis.
제1항에 있어서,
상기 반투과성 이온 분리막은 2차원 결정 물질인 것을 특징으로 하는 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체.
According to paragraph 1,
A composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis, wherein the semi-permeable ion separation membrane is a two-dimensional crystal material.
제2항에 있어서,
상기 2차원 결정 물질은 그래핀(graphene), 육방정계 질화붕소(hexagonal Boron Nitride, hBN), 보로핀(borophene), 그래파인(graphyne), 그래다인(graphdiyne), 층상규산염광물(phyllosilicate), g-C3N4, 흑린(Black Phosphorus), 전이금속 산화물, 및 층상이중수화물(layered double hydroxide) 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체.
According to paragraph 2,
The two-dimensional crystal materials include graphene, hexagonal boron nitride (hBN), borophene, graphene, graphdiyne, phyllosilicate, and gC. A composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis, characterized in that it is one or more selected from 3 N 4 , black phosphorus, transition metal oxide, and layered double hydroxide.
제2항에 있어서,
상기 반투과성 이온 분리막은 상기 2차원 결정 물질이 1~100층으로 적층된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체.
According to paragraph 2,
The semi-permeable ion separation membrane is a composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis, characterized in that the two-dimensional crystal material has a structure in which 1 to 100 layers are stacked.
제4항에 있어서,
상기 반투과성 이온 분리막은 한 층당 상기 2차원 결정 물질이 연속된 하나의 층을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체.
According to paragraph 4,
The semi-permeable ion separation membrane is a composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis, wherein each layer consists of one continuous layer of the two-dimensional crystal material.
제4항에 있어서,
상기 반투과성 이온 분리막은 상기 2차원 결정 물질의 10nm ~ 100㎛의 면방향 지름을 갖는 플레이크(flake)들이 집합된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체.
According to paragraph 4,
The semi-permeable ion separation membrane is a composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis, characterized in that the flakes of the two-dimensional crystal material with a surface diameter of 10 nm to 100 ㎛ are aggregated.
제1항에 있어서,
상기 수소이온 전도성 고분자막은 술폰화된 테트라플루오로에틸렌계 플루오로폴리머-코폴리머, 폴리벤지미다졸(polybenzimidazole), 술폰화된 폴리에테르에테르케톤(poly ether ketone, PEEK) 및 폴리술폰(polysulfone) 중에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합체.
According to paragraph 1,
The hydrogen ion conductive polymer membrane is selected from sulfonated tetrafluoroethylene-based fluoropolymer-copolymer, polybenzimidazole, sulfonated polyether ether ketone (PEEK), and polysulfone. A complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis, characterized in that it contains one or more selected substances.
수소이온 전도성 고분자 전해질막; 및
상기 수소이온 전도성 고분자 전해질막 내에 수소 이온에 대하여 투과도를 갖는 2차원 결정물질이 분산된 수전해용 복합막;을 포함하고,
상기 수전해용 복합막의 양면에 대향되게 형성된 에노드(anode) 촉매; 및 수소 동위원소 교환을 유도하는 캐소드(cathode) 촉매;를 포함하는
수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체.
Hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane; and
It includes a composite membrane for water electrolysis in which a two-dimensional crystal material having permeability to hydrogen ions is dispersed in the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane,
An anode catalyst formed on both sides of the water electrolysis composite membrane to face each other; And a cathode catalyst that induces hydrogen isotope exchange.
Composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis.
제1항 또는 제8항에 따른 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체를 포함하되,
상기 수전해에 의한 수소 동위원소 분리용 복합막-전극 복합체는 에노드(anode) 부근에 투입수(water)를 주입하는 투입구 및 산화-환원 반응에 의하여 발생한 산소(O2) 및 미반응 물의 배출구를 포함하며, 캐소드(cathode) 부근에는 산화-환원 반응에 의하여 발생한 수소(H2)의 배출구를 포함하는 수소 동위원소 분리 시스템.
Including a composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis according to claim 1 or 8,
The composite membrane-electrode complex for hydrogen isotope separation by water electrolysis has an inlet for injecting water near the anode and an outlet for oxygen (O 2 ) and unreacted water generated by the oxidation-reduction reaction. A hydrogen isotope separation system that includes an outlet for hydrogen (H 2 ) generated by an oxidation-reduction reaction near the cathode.
제9항에 따른 수소 동위원소 분리 시스템을 사용하여 물(H2O)에 포함된 경수소(H, hydrogen)를 중수소(D, Deuterium) 및 삼중수소(T, Tritium)와 분리하는 방법으로서,
상기 에노드(anode) 부근의 투입구를 통하여 중수소 및 삼중수소를 포함하는 물을 투입하는 단계; 및
상기 에노드(anode)와 캐소드(cathode) 사이에 전압을 가하여 상기 에노드(anode)에서 산소 발생 반응을 수행하고, 산소 발생 반응 결과 발생한 수소 이온이 전기력에 이끌려 캐소드(cathode)로 이동하되, 상기 이온 분리막을 투과하여 캐소드(cathode)에 도달하여 수소 발생 반응을 일으켜, 투입수 내의 경수소 몰 분율 대비 농축된 경수소 몰 분율을 갖는 수소 기체를 발생시키는 단계;를 포함하는 수소 동위원소 분리 방법.
A method of separating light hydrogen (H, hydrogen) contained in water (H 2 O) from heavy hydrogen (D, Deuterium) and tritium (T, Tritium) using the hydrogen isotope separation system according to claim 9,
Injecting water containing deuterium and tritium through an inlet near the anode; and
A voltage is applied between the anode and the cathode to perform an oxygen generation reaction at the anode, and the hydrogen ions generated as a result of the oxygen generation reaction are attracted by electric force and move to the cathode. A hydrogen isotope separation method comprising the step of passing through the ion separation membrane, reaching the cathode, causing a hydrogen generation reaction, and generating hydrogen gas having a light hydrogen mole fraction concentrated compared to the light hydrogen mole fraction in the input water.
KR1020220136393A 2022-10-21 2022-10-21 composite membrane-electrode assembly for hydrogen isotope separation based on water electrolysis, hydrogen isotope separation system and method for separation of hydrogen isotopes using the same assembly KR20240056151A (en)

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