KR20240060020A - 이산화탄소 전환시스템 - Google Patents

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KR20240060020A
KR20240060020A KR1020220141206A KR20220141206A KR20240060020A KR 20240060020 A KR20240060020 A KR 20240060020A KR 1020220141206 A KR1020220141206 A KR 1020220141206A KR 20220141206 A KR20220141206 A KR 20220141206A KR 20240060020 A KR20240060020 A KR 20240060020A
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carbon dioxide
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unit
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김정식
신현수
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(주) 테크윈
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Abstract

본 발명의 일 측면은, 이산화탄소의 환원반응이 수행되는 음극실; 및 수소의 산화반응이 수행되는 양극실;을 포함하는 이산화탄소 전환시스템을 제공한다.

Description

이산화탄소 전환시스템{CARBON DIOXIDE CONVERSION SYSTEM}
본 발명은 이산화탄소의 전환시스템에 관한 것으로, 특히, 에너지 효율이 우수하고 수소 정제설비를 최소화하며 고순도의 생성물을 제조할 수 있는 이산화탄소 전환시스템에 관한 것이다.
최근 지구의 기후변화로 인한 영향이 커지고 있다. 이에 따라 세계 각국은 지구온난화의 다양한 원인물질을 저감하고자 하는 노력을 기울이고 있다. 특히 이산화탄소는 산업발전에 따라 배출량이 급증하여 가장 큰 관심을 받고 있다.
화석연료를 사용하는 화력발전소, 제철소, 시멘트공장 등에서 대량의 이산화탄소가 발생한다. 이러한 설비에서 발생한 이산화탄소를 포집하여 저장·처리하는 기술을 CCS(Carbon Capture and Storage)라 일컫는다. 이산화탄소를 저장하는 것뿐 아니라, 전환과정을 거쳐 재활용하는 기술인 CCU(Carbon Capture and Utilization)에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이들 기술을 결합한 CCUS(Carbon Capture Utilization and Storage)는 기후변화협약에서 목표로 하는 탄소중립에 필수적인 기술이다.
이와 같은 이산화탄소의 활용 방법은 이산화탄소를 그 자체로 유용하게 사용하는 비-전환(nonconversion) 방법과 이산화탄소를 유용한 화합물로 전환하여 재사용할 수 있게 하는 전환(conversion) 방법의 두 가지로 크게 나뉜다. 이 중 이산화탄소의 전환기술은 화학적 전환기술과 생물학적 전환기술로 분류될 수 있다. 이중에서도 화학적 전환기술은 기술적 특성에 따라 다시 열촉매화학적 전환, 전기화학적 전환, 광화학적 전환 등을 포함한다.
전기화학적 전환기술은 전기분해장치의 수용액 내로 이산화탄소를 공급하여 전기적 에너지로 이산화탄소를 환원시켜 유기화합물의 형태로 전환시키는 기술이다. 전극 물질의 종류 및 반응조건에 따라 포름산(개미산), 메탄, 에탄, 일산화탄소, 옥살산, 합성가스 등의 유기화합물을 선택적으로 생성할 수 있다. 이와 같은 전기화학적 전환기술은 상온상압 조건에서도 수행할 수 있다. 또한 반응에 필요한 원료가 전해질과 이산화탄소로 간단하며, 전해질을 재활용하면 화학물질 배출 없이 전환이 가능하다. 또한 시스템이 간단하고 모듈화가 가능한 특성을 구비하고 있어 다양한 방식으로 연구개발이 진행되고 있다.
전기분해장치에서는 부반응으로 발생한 수소 기체가 발생하여 미반응 이산화탄소와 혼합된다. 따라서 미반응 이산화탄소를 회수하여 재사용하려면 수소를 분리할 필요가 있다.
종래에는 발생한 부생수소를 미반응 이산화탄소와 분리하기 위하여 기액분리기, 멤브레인, 컴프레셔 등을 활용하였다. 그러나 이들 설비의 활용 시 비용이 증가하고, 공간상 제약이 큰 문제점이 있다. 또한, 멤브레인으로 수소와 이산화탄소를 분리하는 것은 효율이 낮아 이산화탄소의 실질적인 회수/재순환율이 미흡하였다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 전기화학적 환원반응을 통해 이산화탄소를 전환하는 공정에서 부생수소를 산화시켜 에너지 효율이 우수하고 고순도의 생성물 생산이 가능한 이산화탄소 전환시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 이산화탄소의 환원반응이 수행되는 음극실; 및 수소의 산화반응이 수행되는 양극실;을 포함하는, 이산화탄소 전환시스템을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 음극실에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부; 상기 음극실의 배출물을 상기 양극실로 공급하는 재순환부; 및 상기 음극실 및 양극실 사이에 위치한 격막;을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 음극실에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부; 상기 음극실의 배출물을 제1 성분과 제2 성분으로 분리하는 제1 분리부; 상기 제1 분리부로부터 상기 제1 성분을 수집하는 제1 수집부; 상기 제1 분리부로부터 상기 양극실로 상기 제2성분을 공급하는 재순환부; 및 상기 음극실 및 양극실 사이에 위치한 격막;을 더 포함할 수 있다.일 실시예에 있어서, 상기 음극실에서 수소와 일산화탄소, 포름산, 포름알데하이드, 메탄올, 메탄 및 에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나가 생성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 음극실 및 양극실 간의 표준전극전위 기준 산화환원전위의 절대값은 1.23 V 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 이산화탄소 공급부는 건조 이산화탄소, 가습된 이산화탄소, 용존된 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 양극실에 수소를 공급하는 수소 공급부 및 상기 양극실에 전해질을 공급하는 전해질 공급부 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 양극실의 배출물을 수집하는 제2 수집부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 분리부는 기액분리기, 기체정제기, 흡착탑, 흡수탑 및 기체투과막으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 분리부는 상기 제2 성분으로 수소 및 미반응 이산화탄소를 배출하고, 상기 양극실의 배출물이 상기 이산화탄소 공급부로 재순환될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 수소 및 미반응 이산화탄소를 각각 분리하는 제2 분리부를 더 포함하고, 상기 제1 분리부는 상기 제2 분리부로 수소 및 미반응 이산화탄소를 배출하고, 상기 제2 분리부는 상기 수소를 상기 재순환부로 공급하고, 상기 제2 분리부는 상기 미반응 이산화탄소를 상기 이산화탄소 공급부로 재순환시키고, 상기 재순환부는 상기 제2 분리부로부터 상기 양극실로 상기 수소를 공급할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 음극실의 배출물을 수소 및 그 외 성분을 각각 분리하는 제2 분리부를 더 포함하고, 상기 제2 분리부는 상기 수소를 상기 재순환부로 공급하고, 상기 재순환부는 상기 제2 분리부로부터 상기 양극실로 상기 수소를 공급하고, 상기 제2 분리부는 상기 그 외 성분을 상기 제1 분리부로 배출하고, 상기 제1 분리부는 상기 제2 분리부의 배출물을 제1 성분과 제2 성분으로 분리하고, 상기 제1 분리부는 미반응 이산화탄소를 상기 이산화탄소 공급부로 재순환시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 정제공정을 생략하거나 최소화하며 부생수소를 제거할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 전기화학적 반응의 전압차를 최소화하여 에너지 효율을 개선할 수 있다.
본 발명의 또다른 일 측면에 따르면, 이산화탄소 전환시스템을 통해 제조한 생성물을 고순도로 수득할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 이산화탄소 전환시스템의 예시를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 이산화탄소 전환시스템의 예시를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 또다른 일 실시예에 의한 이산화탄소 전환시스템의 예시를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 또다른 일 실시예에 의한 이산화탄소 전환시스템의 예시를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 또다른 일 실시예에 의한 이산화탄소 전환시스템의 예시를 나타낸 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 "표준전극전위(standard potential)"란 25℃, 1 atm, 이온 농도 1 M의 조건에서 표준수소전극과 측정하고자 하는 전극을 결합하여 제조한 전지에서 측정한 전위를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이산화탄소 전환시스템
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 이산화탄소 전환시스템(10)의 일 예시를 도시한 것이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 측면에 따른 이산화탄소 전환시스템(10)은, 이산화탄소의 환원반응이 수행되는 음극실(113); 및 수소의 산화반응이 수행되는 양극실(123);을 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 전환시스템(10)은 음극(111)을 포함하는 음극실(113)과 양극(121)을 포함하는 양극실(123)이 구비된 전해조(100)에서 온실가스의 일종인 이산화탄소를 적은 에너지를 사용하여 유용한 화합물로 전환시킬 수 있다. 많은 양의 에너지를 사용하여 이산화탄소와 물의 산화환원반응을 수행하며 부생수소를 정제 및 제거하는 종래의 전기분해장치와 달리, 상기 이산화탄소 전환시스템(10)은 이산화탄소와 수소의 산화환원반응을 이용할 수 있다.
상기 이산화탄소 전환시스템(10)의 일 양태에서는 상기 음극실(113)에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부(115); 상기 음극실(113)의 배출물을 상기 양극실(123)로 공급하는 재순환부(127); 및 상기 음극실(113) 및 양극실(123) 사이에 위치한 격막(130);을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 이산화탄소 전환시스템(10)의 다른 일 양태에서는 상기 음극실(113)에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부(115); 상기 음극실(113)의 배출물을 제1 성분과 제2 성분으로 분리하는 제1 분리부(117); 상기 제1 분리부(117)로부터 상기 제1 성분을 수집하는 제1 수집부(119); 상기 제1 분리부(117)로부터 상기 양극실(123)로 상기 제2성분을 공급하는 재순환부(127); 및 상기 음극실(113) 및 양극실(123) 사이에 위치한 격막(130);을 더 포함할 수 있다.
전술한 이산화탄소 전환시스템(10)의 일 예시에서는 이산화탄소 공급부(115)로부터 음극실(113)에 물질이 유입될 수 있다. 음극실(113) 내부의 물질은 재순환부(127)를 통해 양극부(123)로 배출되거나, 제1 분리부(117)로 배출될 수 있다. 음극실(113)로부터 배출된 물질이 제1 분리부(117)를 통과하면 제1 성분 및 제2 성분으로 분리되어 제1 수집부(119)와 재순환부(127)로 나누어 배출된다. 여기서 재순환부(127)를 통과한 물질은 양극실(123)에 공급될 수 있다. 양극실(123) 내부의 물질은 전부 반응하거나 선택적 구성인 제2 수집부(129)를 통해 배출 수 있다.
상기 이산화탄소 전환시스템(10)은 상기 음극(111)을 포함하는 상기 음극실(113), 상기 양극(121)을 포함하는 상기 양극실(123)이 상기 격막(130)으로 구획된 전해조(100)를 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 전환시스템(10)의 상기 음극(111)에서 이산화탄소의 환원반응이 이루어질 수 있다. 상기 음극(111)의 예시로는, Hg, Ti, In, Sn, Cd, Au, Ag, Zn, Pd 및 Cu로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 전극 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일 예시에 따르면, 상기 음극(111)을 포함하는 상기 음극실(113)에서 수행되는 반응은 아래 반응식 1 내지 8과 같이 표현될 수 있다.
<반응식 1 내지 반응식 8>
반응식 1은 이산화탄소(CO2)가 일산화탄소(CO)로 전환되는 반응으로, -0.53 V의 표준전극전위를 가진다. 반응식 2는 이산화탄소(CO2)가 포름산(HCOOH)으로 전환되는 반응으로, -0.61 V의 표준전극전위를 가진다. 반응식 3은 이산화탄소(CO2)가 포름알데하이드(HCHO)로 전환되는 반응으로, -0.51 V의 표준전극전위를 가진다. 반응식 4는 이산화탄소(CO2)가 메탄올(CH3OH)로 전환되는 반응으로, -0.38 V의 표준전극전위를 가진다. 반응식 5는 이산화탄소(CO2)가 메탄(CH4)으로 전환되는 반응으로, -0.24 V의 표준전극전위를 가진다. 반응식 6은 이산화탄소(CO2)가 에틸렌(C2H4)으로 전환되는 반응으로, -0.34 V의 표준전극전위를 가진다.
또한, 반응식 7은 물(H2O)이 수소(H2)로 전환되는 반응으로, -0.83 V의 표준전극전위를 가지며, 반응식 8은 수소 양이온(H+)으로부터 수소(H2)가 생성되는 반응으로, 0 V의 표준전극전위를 가진다.
이와 같은 반응은 상기 음극(111)의 종류와 반응조건을 달리하여 목적하는 형태로 유도될 수 있다.
상기 음극실(113)에서 이산화탄소가 전기화학적 환원반응하여 수소(H2)와 일산화탄소(CO), 포름산(HCOOH), 포름알데하이드(HCHO), 메탄올(CH3OH), 메탄(CH4) 및 에틸렌(C2H4)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나가 생성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 이산화탄소 전환시스템(10)의 상기 양극(121)에서 수소의 산화반응이 이루어질 수 있다. 상기 양극(121)의 예시로는 Fe 전극, 스테인리스스틸(SUS) 전극, Ni 전극, Ti 전극, Ti 기판 상에 Ru, Ir, Ta, Pt 등의 백금계 산화물이 코팅된 촉매성 산화물 전극 등을 들 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극(121)을 포함하는 상기 양극실(123)에서 수행되는 반응은 아래 반응식과 같이 표현될 수 있다.
<반응식 9>
반응식 9는 반응식 8의 역반응으로, 0 V의 표준전극전위를 가진다. 따라서, 상기 음극실(113) 및 상기 양극실(123) 간의 표준전극전위 기준 산화환원전위의 절대값은 1.23 V 이하, 예를 들어, 1.23 V 이하, 1.20 V 이하, 1.15 V 이하, 1.10 V 이하, 1.05 V 이하, 1.00 V 이하, 0.95 V 이하 0.90 V 이하, 0.85 V 이하, 0.80 V 이하, 0.75 V 이하, 0.70 V 이하 또는 0.65 V 이하일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 산화환원전위의 절대값이 작으면 보다 적은 양의 전기적 에너지로 이산화탄소를 전환할 수 있다.
상기 음극(111) 및 상기 양극(121)은 외부전원으로부터 전기적 에너지를 공급받아 산화환원반응을 수행할 수 있다. 따라서, 상기 음극(111) 및 상기 양극(121)의 전기화학적 이산화탄소 전환반응에 필요한 에너지가 적을수록 우수한 효율을 가질 수 있다. 이러한 에너지는 환원 전극인 상기 음극(111)과 산화 전극인 상기 양극(121)에서의 표준전극전위 차이로 표현될 수 있다.
상기 양극실(123)은 반응식 9가 용이하게 수행되도록 소정의 촉매를 더 포함할 수 있다. 상기 촉매는, 예를 들어, Pt, Pd, Ru, Ir 및 Rh로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 백금계 원소를 포함하고/포함하거나, Ni, Cu, Fe 등의 전이금속 원소 또는 이들의 혼합 성분을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
종래의 탄소 포집 및 활용 기술은 양극실에서 아래 반응식 P와 같은 물분해 반응을 사용한다.
<반응식 P>
반응식 P의 표준전극전위는 1.23 V로, 음극실과 연결하여 이산화탄소의 전환 시 1.47 V 내지 2.06 V의 전압을 인가하여야 한다.
반면, 상기 이산화탄소 전환시스템(10)은 상기 양극(121)에서 수소의 산화반응을 이용하므로 1.23 V 이하의 상대적으로 낮은 전압을 인가하여도 이산화탄소의 전환반응이 가능하여 우수한 에너지 효율을 가질 수 있다.
또한, 종래 시스템에서는 정제 공정을 통해 제거하여야 하는 수소를 이산화탄소 전환반응에 직접 사용하므로 정제 설비를 최소화할 수 있다.
상기 음극실(113)과 상기 양극실(123)은 각각 전해질을 포함할 수 있다. 상기 전해질은 상기 음극실(113) 또는 상기 양극실(123)에 전도성을 부여하여 전술한 전기화학적 산화환원 반응이 수행되도록 전기적 에너지를 전달할 수 있다. 일반적으로, 전기화학적 환원반응은 수용액 상에서 수행될 수 있다. 따라서, 상기 전해질은 물에 이온성 화합물이 해리된 것일 수 있다. 상기 음극실(113)과 상기 양극실(123)의 상기 전해질은 목적에 따라 동일하거나 상이한 것을 사용할 수 있다.
상기 이산화탄소 공급부(115)는 전술한 이산화탄소의 환원반응이 수행되도록 상기 음극실(113)에 이산화탄소를 공급할 수 있다. 상기 이산화탄소 공급부(115)는 상기 음극실(113)의 상기 전해질에 이산화탄소를 공급하거나, 상기 전해질에 용해된 상태로 이산화탄소를 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 이산화탄소 공급부(115)는 건조 이산화탄소, 가습된 이산화탄소, 용존된 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 음극실(113)에 공급할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이 때, 이산화탄소가 상기 전해질에 보다 용이하게 용해될 수 있도록 고압에서 상기 전해질에 이산화탄소를 공급하거나, 이산화탄소를 미세기포화하여 공급하거나, 막접촉방식으로 이산화탄소를 공급할 수 있으나, 이러한 방식에 한정되는 것은 아니다.
상기 음극실(113)은 공급받은 이산화탄소(CO2) 외에도 전술한 반응에 의해 생성된 수소(H2), 일산화탄소(CO), 포름산(HCOOH), 포름알데하이드(HCHO), 메탄올(CH3OH), 메탄(CH4) 및 에틸렌(C2H4)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 상기 음극실(113)은 상기 화합물을 포함하는 물질을 양극실(123) 또는 제1 분리부(117)로 배출할 수 있다. 상기 제1 분리부(117)는 상기 음극실(113)로부터 배출된 물질을 상기 제1 성분과 상기 제2 성분으로 분리할 수 있다.
따라서, 상기 제1 분리부(117)를 통과한 상기 제2 성분은 상기 음극실(113)에서 생성된 수소를 포함할 수 있다. 상기 수소는 상기 재순환부(127)를 통해 상기 양극실(123)로 공급될 수 있다. 상기 양극실(123)로 공급된 수소는 전술한 산화반응을 통해 수소 양이온과 전자로 전환될 수 있다.
일 예시에서, 상기 제1 분리부(117)를 통과한 상기 제1 성분이 전해질을 포함하면, 전해질은 상기 음극실(113)로 재순환될 수 있다. 일 예시로, 상기 전해질은 상기 이산화탄소 공급부(115)를 통해 이산화탄소가 용해된 상태로 재순환될 수 있다.
상기 격막(130)은 상기 음극실(113)과 상기 양극실(123)을 구획할 수 있다. 상기 격막(130)은 상기 전해조(100)에서 상기 음극실(113)과 상기 양극실(123)을 분리하면서 목적하는 물질을 선택적으로 이동시킬 수 있다.
상기 격막(130)은 이온교환막일 수 있고, 예를 들어, 양이온교환막 또는 음이온교환막일 수 있다. 상기 격막(130)이 양이온교환막인 경우, 상기 음극실(113)에 대향한 표면이 음이온에 대한 차폐성을 가지거나 양이온교환성 작용기를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 양극(121)에서 전술한 수소의 산화반응이 수행되려면 상기 양극실(123)에 수소를 지속적으로 공급할 필요가 있다. 경쟁반응에 의하여 상기 음극실(113)에서 생성된 부생수소만으로 이산화탄소를 환원시키는 경우 반응에 필요한 수소가 부족할 수도 있다. 이러한 경우 상기 이산화탄소 전환시스템(10)은 상기 양극실(123)에 수소를 공급하는 수소 공급부(125)를 더 포함할 수 있다. 도 2는 이러한 이산화탄소 전환시스템(10)의 일 예시를 도시한 것이다.
도 2를 참고하면, 재순환된 부생수소를 상기 양극실(123)에 공급하는 상기 재순환부(127) 외에도 별도의 수소를 공급하는 상기 수소 공급부(125)가 구비될 수 있다. 이러한 수소 공급부(125)에서는 상기 양극실(123)에 수소를 직접 공급하거나, 전해질에 용해된 형태로 공급할 수도 있다. 또한, 상기 수소 공급부(125) 외에 상기 양극실(123)에 별도의 전해질, 예를 들어, 탄산칼륨(K2CO3)을 공급하는 전해질 공급부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 이산화탄소 전환시스템(10)은 상기 양극실(123)의 배출물을 수집하는 제2 수집부(129)를 더 포함할 수 있다. 상기 재순환부(127)를 통해 상기 양극실(123)에 공급된 성분에 따라 상기 제2 수집부(129)가 수집하는 배출물의 종류가 달라질 수 있다.
상기 제1 분리부(117)는 목적에 따라 기액분리기, 기체정제기, 흡착탑, 흡수탑 및 기체투과막으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 분리부(117)는 상기 음극실(113)로부터 배출된 물질 중 액체상을 상기 제1 성분으로, 기체상을 상기 제2 성분으로 분리할 수 있다. 분리된 상기 제2 성분을 상기 양극실(123)로 공급하여 수소를 제거하면 상기 제2 수집부(129)에서 수소가 제거된 고순도의 기체 생성물을 수득할 수 있다.
다른 일 실시예에서 상기 제1 분리부(117)는 상기 음극실(113)로부터 배출된 물질에서 목적하는 생성물을 상기 제1 성분으로 분리하여 상기 제1 수집부(119)로 공급하고, 수소 및 미반응 이산화탄소를 상기 제2 성분으로 분리하여 재사용할 수 있다. 도 3은 이러한 이산화탄소 전환시스템(10)의 일 예시를 도시한 것이다.
도 3을 참고하면, 상기 제1 분리부(117)를 통과한 상기 제1 성분은 일산화탄소(CO), 포름산(HCOOH), 포름알데하이드(HCHO), 메탄올(CH3OH), 메탄(CH4) 및 에틸렌(C2H4)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 제1 분리부(117)에서 상기 제2 성분으로 분리된 수소 및 미반응 이산화탄소는 상기 재순환부(127)를 통과하여 상기 양극실(123)로 공급될 수 있다. 상기 양극실(123)에서 수소가 산화반응을 통해 제거된 후 미반응 이산화탄소가 상기 이산화탄소 공급부(115)로 재순환될 수 있다. 공급된 상기 제2 성분이 수소 및 미반응 이산화탄소로 이루어지므로, 상기 이산화탄소 공급부(115)로 재순환된 미반응 이산화탄소의 순도가 높을 수 있다.
도 3에서는 생략하였으나, 이러한 형태의 이산화탄소 전환시스템(10)에서도 전술한 바와 마찬가지로 상기 양극실(123)에 수소를 공급하는 상기 수소 공급부(125)를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 이산화탄소 전환시스템(10)은 제2 분리부(118)를 더 구비할 수 있다. 도 4 및 도 5는 이러한 이산화탄소 전환시스템(10)의 일 예시를 도시한 것이다.
도 4를 참고하면, 이산화탄소 전환시스템(10)이 수소 및 미반응 이산화탄소를 각각 분리하는 제2 분리부(118)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제1 분리부(117)는 상기 재순환부(127)가 아닌 상기 제2 분리부(118)로 수소 및 미반응 이산화탄소를 배출할 수 있다. 상기 제2 분리부(118)는 분리된 수소를 상기 재순환부(127)로 공급하고, 분리된 미반응 이산화탄소를 상기 이산화탄소 공급부(115)로 재순환시킬 수 있다. 상기 재순환부(127)는 상기 제1 분리부(117)가 아닌 상기 제2 분리부(118)로부터 상기 양극실(123)로 수소를 공급할 수 있다.
도 5를 참고하면, 이산화탄소 전환시스템(10)이 수소 및 그 외 성분을 각각 분리하는 제2 분리부(118)를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 제2 분리부(118)는 분리된 수소를 재순환부(127)로 공급할 수 있다. 상기 재순환부(127)는 제1 분리부(117)가 아닌 제2 분리부(118)로부터 양극실(123)로 수소를 공급할 수 있다. 또한 상기 제2 분리부(118)는 그 외 성분을 제1 분리부(117)로 배출할 수 있다. 상기 제1 분리부(117)는 제2 분리부(118)로부터 배출된 그 외 성분을 목적하는 생성물을 포함하는 제1 성분과 미반응 이산화탄소를 포함하는 제2 성분으로 분리할 수 있다. 상기 제1 분리부(117)는 제1 성분을 제1 수집부(119)로 공급하고, 제2 성분을 이산화탄소 공급부(115)로 재순환시킬 수 있다.
도 4 및 도 5에서는 생략하였으나, 이러한 형태의 이산화탄소 전환시스템(10)에서도 전술한 바와 마찬가지로 상기 양극실(123)에 수소를 공급하는 상기 수소 공급부(125)를 더 포함할 수 있다.
이러한 이산화탄소 전환시스템(10)을 사용하면, 상기 양극실(123)에 이산화탄소 내지 일산화탄소가 공급되지 않으므로 상기 양극(121) 촉매로 일산화탄소 내지 이산화탄소에 의해 피독되기 쉬운 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 양극실(121)의 전극 촉매로 일산화탄소 내지 이산화탄소에 피독되기 쉬운 백금계 화합물을 사용할 수 있다.
이러한 형태의 상기 이산화탄소 전환시스템(10)에서는 상기 양극실(123)에 수소 외의 생성물 내지 미반응 이산화탄소가 공급되지 않으므로, 상기 제2 수집부(129)가 생략될 수도 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 이산화탄소 전환시스템 100: 전해조
111: 음극 113: 음극실
115: 이산화탄소 공급부 117: 제1 분리부
118: 제2 분리부 119: 제1 수집부
121: 양극 123: 양극실
125: 수소 공급부 127: 재순환부
129: 제2 수집부 130: 격막

Claims (12)

  1. 이산화탄소의 환원반응이 수행되는 음극실; 및
    수소의 산화반응이 수행되는 양극실;을 포함하는,
    이산화탄소 전환시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극실에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부;
    상기 음극실의 배출물을 상기 양극실로 공급하는 재순환부; 및
    상기 음극실 및 양극실 사이에 위치한 격막;을 더 포함하는, 이산화탄소 전환시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 음극실에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부;
    상기 음극실의 배출물을 제1 성분과 제2 성분으로 분리하는 제1 분리부;
    상기 제1 분리부로부터 상기 제1 성분을 수집하는 제1 수집부;
    상기 제1 분리부로부터 상기 양극실로 상기 제2성분을 공급하는 재순환부; 및
    상기 음극실 및 양극실 사이에 위치한 격막;을 더 포함하는, 이산화탄소 전환시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음극실에서 수소와 일산화탄소, 포름산, 포름알데하이드, 메탄올, 메탄 및 에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나가 생성되는,
    이산화탄소 전환시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음극실 및 양극실 간의 표준전극전위 기준 산화환원전위의 절대값은 1.23 V 이하인,
    이산화탄소 전환시스템.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 공급부는 건조 이산화탄소, 가습된 이산화탄소, 용존된 이산화탄소로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 공급하는,
    이산화탄소 전환시스템.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극실에 수소를 공급하는 수소 공급부 및 상기 양극실에 전해질을 공급하는 전해질 공급부 중 적어도 하나를 더 포함하는,
    이산화탄소 전환시스템.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극실의 배출물을 수집하는 제2 수집부를 더 포함하는,
    이산화탄소 전환시스템.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 제1 분리부는 기액분리기, 기체정제기, 흡착탑, 흡수탑 및 기체투과막으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는,
    이산화탄소 전환시스템.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 제1 분리부는 상기 제2 성분으로 수소 및 미반응 이산화탄소를 배출하고,
    상기 양극실의 배출물이 상기 이산화탄소 공급부로 재순환되는,
    이산화탄소 전환시스템.
  11. 제3항에 있어서,
    수소 및 미반응 이산화탄소를 각각 분리하는 제2 분리부를 더 포함하고,
    상기 제1 분리부는 상기 제2 분리부로 수소 및 미반응 이산화탄소를 배출하고,
    상기 제2 분리부는 상기 수소를 상기 재순환부로 공급하고,
    상기 제2 분리부는 상기 미반응 이산화탄소를 상기 이산화탄소 공급부로 재순환시키고,
    상기 재순환부는 상기 제2 분리부로부터 상기 양극실로 상기 수소를 공급하는,
    이산화탄소 전환시스템.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 음극실의 배출물을 수소 및 그 외 성분을 각각 분리하는 제2 분리부를 더 포함하고,
    상기 제2 분리부는 상기 수소를 상기 재순환부로 공급하고,
    상기 재순환부는 상기 제2 분리부로부터 상기 양극실로 상기 수소를 공급하고,
    상기 제2 분리부는 상기 그 외 성분을 상기 제1 분리부로 배출하고,
    상기 제1 분리부는 상기 제2 분리부의 배출물을 제1 성분과 제2 성분으로 분리하고,
    상기 제1 분리부는 미반응 이산화탄소를 상기 이산화탄소 공급부로 재순환시키는,
    이산화탄소 전환시스템.
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