KR20240061997A - 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템 및 방법 - Google Patents

이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본원발명은 물 분해에 의한 수소 생산은 많은 전기에너지를 필요로 하며 이는 물의 전기분해 과정에서 일어나는 산화, 환원 반응의 표준환원전위가 높기 때문인데, 이를 개선하기 위하여 이산화탄소의 해수 용해는 추가적인 에너지 투입 없이 물에 용해되고 물 분해 반응시 표준환원전위가 낮은 산화반응을 구성하면 전체 반응의 표준환원전위를 낮출 수 있어 공정에너지를 대폭적으로 낮출 수 있는 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템 및 방법{Hydrogen production system and method using seawater dissolving carbon dioxide and electrodialysis}
본원발명은 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템 및 방법에 관한 것이고, 보다 구체적으로 물 분해에 의한 수소 생산은 많은 전기에너지를 필요로 하며 이는 물의 전기분해 과정에서 일어나는 산화, 환원 반응의 표준환원전위가 높기 때문인데, 이를 개선하기 위하여 이산화탄소의 해수 용해는 추가적인 에너지 투입 없이 물에 용해되고 물 분해 반응시 표준환원전위가 낮은 산화반응을 구성하면 전체 반응의 표준환원전위를 낮출 수 있어 공정에너지를 대폭적으로 낮출 수 있는 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템 및 방법에 관한 것이다.
지구온난화로 인한 기후위기는 더 이상 미래의 문제가 아니다. 폭우, 가뭄, 산불 등으로 인한 피해는 날이 갈수록 가속화되고 있으며 빙하의 감소에 인한 해수면 상승으로 발생하는 침수도 머지 않아 많은 지역에서 현실화될 것으로 예상된다.
이를 극복하기 위한 탄소중립 실현의 목표는 더 이상 미룰 수 없으므로 인류의 생존 기반을 화석에너지에서 재생에너지로 가능한 한 전환하기 위해 노력해야 하며, 화석연료 사용으로 인한 이산화탄소 배출을 막기 위해 탄소포집 기술 또한 상용화될 수 있는 수준으로 경쟁력을 확보해야 한다.
아울러, 물 분해로 얻어지는 그린수소는 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 잠재력이 매우 큰 자원으로 대량생산을 위한 공법 및 경제성 제고에 천착해야 할 것이다.
해수는 지구상의 물의 양에 있어서 절대 다수를 차지하고 있으나 인간의 생활용수나 산업용수로 이용하기에는 염도가 너무 높아서 사용하지 못하고 있는 실정이다. 부족한 용수를 보충하고 담수의 부족현상과 고갈현상 등의 문제점을 해결하기 위해서는 해수를 담수로 전환시킬 필요가 있다. 담수화의 의미는 미네랄 성분을 제거하는 탈염화와 이온을 제거하는 탈이온화를 종합한 것으로서 탈염 담수화로 일컫기도 한다.
해수담수화 방법에는 특수한 막을 이용하는 역삼투법 및 전기투석법, 해수를 증기로 변화시켜서 담수화하는 증발법(다단 플래쉬 증발법, 다중 효용법, 증기 압축법), 그 외에 냉동법, 태양열 이용법 등이 있다. 그러나 해수담수화에는 주로 증발법과 역삼투법이 사용되고 있다.
이 중, 역삼투법에 의한 해수담수화 시설은 물에 용해되어 있는 이온성 물질은 거의 배제되고 순수한 물은 통과되는 반투막(멤브레인)에 의해 해수 중에 용해되어 있는 이온성 물질을 여과하는 것이다.
선행특허인 한국 공개특허공보 제 10-2020-0115747호에서는 유입수가 역삼투 공정을 통해 생산수와 농축수로 수처리되는 담수화공정부; 상기 농축수가 공급되는 양극부와, 상기 생산수가 공급되는 음극부로 내부공간이 구획된 염소-알칼리공정부; 및 상기 담수화공정부와 상기 염소-알칼리공정부 사이에 설치되어, 증발공정을 통해 상기 농축수를 상기 농축수의 염도보다 높은 염도로 농축된 제2농축수와, 상기 농축수에서 염이 제거된 제2생산수로 수처리하는 농축공정부를 포함하되, 상기 염소-알칼리공정부는 태양광 전기에너지를 이용하여, 상기 농축수를 전해질로 상기 양극부에서의 화학반응을 통해 상기 농축수의 염으로부터 염소기체를 발생시키고, 상기 생산수를 전해질로 상기 음극부에서의 화학반응을 통해 수소기체와 수산화나트륨을 발생시키는 것을 특징으로 하는 수소 생산가능한 담수시스템을 개시하고 있다. 그러나 상기 시스템에는 해수에 이산화탄소를 용해시킨 후, 생성된 염화수소 및 수산화나트륨을 이용한 수소 생산 시스템 구성이 개시되어 있지 않다.
한국 등록특허공보 제10-2328974호에서는 유입수가 역삼투 공정을 통해 생산수와 농축수로 수처리되는 담수화공정부; 상기 농축수가 공급되는 양극부와, 상기 생산수가 공급되는 음극부로 내부공간이 구획된 염소-알칼리공정부; 및 상기 담수화공정부와 상기 염소-알칼리공정부 사이에 설치되어, 증발공정을 통해 상기 농축수를 상기 농축수의 염도보다 높은 염도로 농축된 제2농축수와, 상기 농축수에서 염이 제거된 제2생산수로 수처리하는 농축공정부를 포함하되, 상기 염소-알칼리공정부는 태양광 전기에너지를 이용하여, 상기 농축수를 전해질로 상기 양극부에서의 화학반응을 통해 상기 농축수의 염으로부터 염소기체를 발생시키고, 상기 생산수를 전해질로 상기 음극부에서의 화학반응을 통해 수소기체와 수산화나트륨을 발생시키고; 상기 담수화공정부는, 상기 역삼투 공정이 수행되면서, 상기 유입수가 고압에 의해 상기 생산수와 상기 농축수로 분리되는 역삼투공정부, 및 상기 역삼투공정부와 상기 농축공정부에 연결되고, 상기 역삼투공정부에서 상기 농축수를 제공받아 상기 농축수의 압력을 상기 유입수로 전달하고, 압력이 감소된 상기 농축수를 상기 농축공정부로 제공하는 에너지회수부를 포함하며; 상기 농축공정부는, 상기 에너지회수부를 경유한 상기 농축수가 저장되는 농축수탱크, 상기 농축수탱크에 저장된 상기 농축수를 가열하는 가열장치, 및 상기 가열장치에 의해 가열된 상기 농축수를 증발공정을 통해 상기 제2생산수 및 상기 제2농축수로 분리하는 증발부를 포함하는 수소 생산 가능한 담수시스템 기술을 개시하였다. 그러나, 상기 시스템에는 해수에 이산화탄소를 용해시킨 후, 생성된 염화수소 및 수산화나트륨을 이용한 수소 생산 시스템 구성이 개시되어 있지 않다.
한국 등록특허공보 제10-1332265호에서는 알칼리 수전해 장치에서 공급되는 불순물 포함된 원료 가스를 촉매 반응시키고, 수분이 포함된 촉매반응 가스에 대한 수분 흡착 반응과 흡착된 수분을 탈착하는 재생 반응을 복수의 흡착 반응기에서 교번적으로 실시함으로써, 수소 가스 정제 효율을 향상시킬 수 있는 알칼리 수전해용 수소 정제장치에 관한 것으로 이를 위한 본 발명의 알칼리 수전해용 수소 정제장치는 알칼리 수전해 장치로부터 유입되는 수소 가스에 포함된 산소를 촉매 반응시켜 수분을 생성하도록 내부에 촉매층이 설치된 촉매 반응기, 촉매 반응기의 후단에 병렬적으로 설치되고, 촉매반응된 가스에 포함된 수분을 흡착하는 복수의 흡착 반응기를 포함하되, 복수의 흡착 반응기는 교번적으로 동작하여 하나의 흡착 반응기가 흡착 반응하는 동안 나머지 흡착 반응기는 재생 반응이 이루어지는 알칼리 수전해용 수소 정제장치에 대한 기술이 개시되어 있다. 그러나, 상기 시스템에는 해수에 이산화탄소를 용해시킨 후, 생성된 염화수소 및 수산화나트륨을 이용한 수소 생산 시스템 구성이 개시되어 있지 않다.
한국 등록특허공보 제10-2307338호에서는 제1 용기 내에 수용되고, 전기적으로 연결된 복수의 태양전지를 포함하는 제1 태양전지 모듈; 및 제2 용기 내에 수용되고, 전기적으로 연결된 복수의 태양전지를 포함하는 제2 태양전지 모듈;을 포함하고; 상기 복수의 태양전지 각각은 수광면의 반대측에 제1 전극 및 제2 전극을 포함하고, 상기 제1 전극은 제1 수전해 촉매를 포함하고, 상기 제2 전극은 제2 수전해 촉매를 포함하고, 상기 제1 용기는 제1 수소 생성 영역 및 제1 산소 생성 영역을 정의하는 제1 분리막을 포함하고, 상기 제2 용기는 제2 수소 생성 영역 및 제2 산소 생성 영역을 정의하는 제2 분리막을 포함하고, 상기 제1 용기 및 제2 용기는 탈착 가능하게 결합되고, 상기 제1 태양전지 모듈 및 상기 제2 태양전지 모듈은 전기적으로 분리된, 수전해 시스템이 개시되어 있다. 그러나, 상기 시스템에는 해수에 이산화탄소를 용해시킨 후, 생성된 염화수소 및 수산화나트륨을 이용한 수소 생산 시스템 구성이 개시되어 있지 않다.
따라서, 이산화탄소의 해수 용해로 추가적인 에너지 투입 없이 물에 용해되고 물 분해 반응시 표준환원전위가 낮은 산화반응을 구성하면 전체 반응의 표준환원전위를 낮출 수 있어 공정에너지를 대폭적으로 낮출 수 있는 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템 및 방법의 개발이 필요한 실정이다.
한국 공개특허공보 제10-2020-0115747호 한국 등록특허공보 제10-2328974호 한국 등록특허공보 제10-1332265호 한국 등록특허공보 제10-2307338호
본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 물 분해에 의한 수소 생산은 많은 전기에너지를 필요로 하며 이는 물의 전기분해 과정에서 일어나는 산화, 환원 반응의 표준환원전위가 높기 때문인데, 이를 개선하기 위하여 이산화탄소의 해수 용해는 추가적인 에너지 투입 없이 물에 용해되고 물 분해 반응시 표준환원전위가 낮은 산화반응을 구성하면 전체 반응의 표준환원전위를 낮출 수 있어 공정에너지를 대폭적으로 낮출 수 있는 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본원발명에 따라서는 해수가 통과하여 담수와 염화수소 및/또는 수산화나트륨을 선택적으로 생산하는 전기투석조(100); 상기 전기투석조에서 생산된 상기 염화수소를 포함한 상기 담수를 금속과 산화시켜 수소를 생산하는 수소생산조(200); 상기 전기투석조에서 생산된 상기 수산화나트륨을 포함한 상기 담수를 이용하여 수소를 생산하는 알칼리수전해조(300);을 포함하고, 상기 해수는 이산화탄소가 용해된 해수인 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 상기 전기투석조는 바이폴라막과 양이온교환막 및/또는 음이온교환막을 선택적으로 포함할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소의 용해도를 높이기 위하여 상기 해수의 온도는 0℃ 이상 내지 20℃이하로 유지할 수 있다.
또한, 상기 금속은 Fe, Zn, Al 중 어느 하나 이상이며 이론반응조건으로 2몰의 염화수소 당 1몰의 수소를 생산할 수 있다.
또한, 상기 해수에 상기 이산화탄소가 용해되면서 생성되는 중탄산이온(HCO3 -)을 상기 알칼리수전해조의 환원극 전해질로 활용할 수 있다.
또한, 상기 환원극 전해질로 중탄산이온(HCO3 -)을 사용하고, 상기 산화극 전해질로 상기 수산화나트륨을 사용하면서 수소 생산에 필요한 표준환원전위값은 0.4V일 수 있다.
또한, 상기 알칼리수전해조의 상기 수소 생산을 위한 전력소모량은 16 kwh/kgH2 내지 20 kwh/kgH2일 수 있다.
또한, 상기 알칼리수전해조 및 상기 수산화나트륨 소모량을 고려한 전력소모량은 44 kwh/kgH2 내지 48 kwh/kgH2일 수 있다.
또한, 전기투석조(100)를 이용하여 해수가 통과하여 담수와 염화수소 및/또는 수산화나트륨을 선택적으로 생산하는 제1단계; 수소생산조(200)를 이용하여 상기 전기투석조에서 생산된 상기 염화수소를 포함한 상기 담수를 금속과 산화시켜 수소를 생산하는 제2단계; 알칼리수전해조(300)를 이용하여 상기 전기투석조에서 생산된 상기 수산화나트륨을 포함한 상기 담수를 이용하여 수소를 생산하는 제3단계;를 포함하고, 상기 해수는 이산화탄소가 용해된 해수인 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 방법을 제공할 수 있다.
본원발명은 또한, 상기 과제의 해결 수단을 다양하게 조합한 형태로도 제공이 가능하다.
본원발명의 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템 및 방법에서 추가적인 에너지 투입 없이 물을 분해함으로 표준환원전위가 낮은 산화반응을 구성하면 전체 반응의 표준환원전위를 낮출 수 있으므로 전기에너지의 대폭적인 감소 효과가 있다.
또한, 다양한 산업공정에서 포집된 이산화탄소를 해수에 용해하여 환원반응의 전해질로, 물분해 전기투석에서 생산한 알칼리 용액을 산화반응의 전해질로 사용하여 전기분해 공정에 활용함으로써 낮은 전기에너지 소모로 수소를 생산하는 효과가 있다.
또한, 포집된 이산화탄소를 수소 생산에 활용할 수 있는 CCUS 기술로 적용이 가능한 효과도 있다.
도 1은 종래의 역삼투법에 의한 해수담수화 공정도이다.
도 2는 본원발명의 일실시예에 따른 물분해 전기투석으로 산 및 알칼리를 생산하는 개념도이다.
도 3은 본원발명의 일실시예에 따른 물분해 전기투석과 해수 전기분해의 소요 전력량비교표이다.
도 4는 본원발명의 일실시예에 따른 수산화나트륨을 활용한 수소생산개념도이다.
도 5는 본원발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질막 수전해 및 알칼리 수전해 전력 필요량 개념도이다.
도 6은 OH 산화 수전해, 알칼라인 수전해 및 고분자 전해질막 수전해의 예상소비전력 비교표이다.
도 7은 본원발명의 일실시예에 따른 염화수소를 이용한 수소생산 개념도이다.
도 8은 본원발명의 일실시예에 따른 이산화탄소가 용해된 해수를 이용한 염화수소 및 수산화나트륨을 이용한 수소생산 개념도이다.
도 9는 염화수소를 이용한 금속산화반응의 수소생산과 수전해의 전력량을 비교한 표이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본원발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본원발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본원발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 어느 실시예에 대한 한정 또는 부가사항은 특정한 실시예에 적용될 뿐 아니라, 그 외 다른 실시예들에 동일하게 적용될 수 있다.
또한, 본원발명의 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐서 단수로 표시된 것은 별도로 언급되지 않는 한 복수인 경우도 포함한다.
본원발명을 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.
도 1은 종래의 역삼투법에 의한 해수담수화 공정도이다.
해수는 전처리부(10)에서 이물질 및/또는 부유물이 걸러진 후 역삼투공정부(20)로 공급된다. 역삼투공정부(20)로 유입된 해수는 42bar 내지 60bar 정도의 높은 압력을 받아 역삼투막을 두고 염이 농축된 농축수와 염이 제거된 생산수로 분리된다. 염이 제거된 생산수는 생산수 저장탱크(30)로 공급된다. 생산수는 염소기체에 의해 소독을 거친 후 사용된다. 농축수는 해수에서 생산수를 발생한 후 남은 물이다.
따라서 염의 농도가 매우 높으며 고압 상태이다. 농축수는 에너지회수부를 거쳐 고압을 유입수에 전달한 후 압력이 낮아진 상태로 바다로 배출된다. 화학약품제공부(50)는 역삼투공정부(20)로 pH조절액 및 스케일링 방지제 등을 투입한다. 해수는 보론이나 실리카 등의 물질을 함유하고 있는데, 해수담수화공정을 거친 생산수의 보론 및 실리카 농도는 낮아야 한다. 특히, 보론의 경우 독성을 갖기 때문에 적정 농도 이하로 제거해야만 한다.
보론이나 실리카 등 특정 물질의 제거율을 높이기 위해선 pH 9 이상의 수질 조건이 요구된다. 따라서, 역삼투 공정에서 수산화나트륨을 주입하여 해수의 pH를 높인다. 다만, 높은 pH에서는 스케일링이 발생하기 쉬우므로, 스케일링 방지제도 함께 투입해야 한다. 또한, 역삼투 공정에서, 물에 녹아 있는 이산화탄소는 역삼투막을 통해 제거되지 않는다. 그러나 수산화나트륨을 사용하여 pH를 8.2 정도로 조정할 경우 이산화탄소가 중탄산이온으로 바뀌어 역삼투막으로 제거가 가능하다.
역삼투 공정은 탄산이온 및 중탄산이온을 제거하므로 생산수의 알칼리도가 적다. 따라서 유입수의 pH를 낮춰서 이산화탄소 형태로 역삼투 공정을 통과한 후, 후처리공정에서 pH를 높여 알칼리도를 회수하기도 한다. 이때 수산화나트륨이 사용된다. 이에 따라, 종래의 역삼투법에 따른 해수담수화공정에는 수산화나트륨, 스케일링 방지제와 같은 화학약품이 지속적으로 소모되고 있는 실정이다.
도 2는 본원발명의 일실시예에 따른 물분해 전기투석으로 산 및 알칼리를 생산하는 개념도이다.
물분해 전기투석은 해수(Sea Water)의 전리된 이온을 직류전류와 양이온교환막, 음이온교환막을 이용하여 분리함으로써 산과 알칼리 용액을 생산하는 방법이다. 양이온교환막과 음이온교환막이 교대로 배치되어 있는 조(Stack)에 해수가 유입되면 해수 내의 Na+ 양이온은 음극 쪽으로 이동하면서 양이온교환막을 통과하는데 음이온교환막을 통과하지 못하면서 농축실에 남아있게 된다. 마찬가지로 Cl- 음이온은 양극 쪽으로 이동하면서 음이온교환막을 통과하고 양이온교환막을 통과하지 못하여 농축실에 남아있게 되며 이온이 빠져나간 해수는 담수화된다.
음극 쪽에는 Na+가 이동하면서 염기성 용액, 양극 쪽에는 Cl-가 이동하면서 산성 용액이 생성되는데 바이폴라막을 이용함으로써 일반 전기투석 장치에 비하여 물 분해 효율을 높이게 된다.
도 3은 본원발명의 일실시예에 따른 물분해 전기투석과 해수 전기분해의 소요 전력량비교표이다.
가성소다(NaOH)를 생산하는 염수 전해는 전극에서의 물 분해 반응과 산화, 환원 반응으로 염소, 수소 가스를 발생시키며 매우 넓은 전극면적을 필요로 하여 전류효율이 낮고 에너지 효율이 떨어지는 반면 바이폴라막을 이용한 물분해 전기투석은 산화, 반응 없이 막에서 물 분해가 이루어짐으로 에너지 소모량이 낮으며 규모의 증가도 용이하다.
염수(해수) 전해의 경우 NaOH 1kg를 생산하는데 2.2kWh의 전력이 소모되는데, 물분해 전기투석은 이론적으로 0.6 ~ 0.7kWh 정도의 전력이 소모되므로 전력 소모량을 약 68% 이상 절감할 수 있다.
물분해 전기투석의 실제 적용에서는 Stack에서 발생하는 오믹 저항 등에 의해 에너지 소모가 다소 증가 하지만 고성능 바이폴라막을 활용하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있고 또한 운전 목적에 따라 셀 구조를 변형시 즉, 바이폴라막 - 양이온교환막의 반복 형태 또는 바이폴라막 - 음이온교환막의 반복형태로 단순화할 경우 멤브레인 및 에너지 비용을 낮출 수 있다.
도 4는 본원발명의 일실시예에 따른 수산화나트륨을 활용한 수소생산개념도이다.
수전해 공정에서는 물을 분해하는데 많은 전기에너지를 필요로 한다. 이에 반해, CO2를 해수(물)에 용해시키면 별도의 에너지 투입 없이 H+이온과 HCO3-이온으로 분해되는데, 이를 전기분해 환원극의 전해질로 활용하고, 물분해 전기투석에서 생산한 NaOH 용액을 산화극의 전해질로 활용하면 표준환원전위를 대폭 낮출 수 있다.
CO2 해수 용해와 OH- 산화에 의한 전기분해는 Anode에서 OH-가 산화되면서 O2가 발생되고 용액 속 Na+는 양이온교환막을 통해서 Cathode로 넘어간다. Cathode에서는 CO2가 해수에 용해되면서 물과 반응하는데, 이때 HCO3-를 생성하고 수소 이온(H+)을 내놓는다. HCO3-는 Na+과 반응하여 NaHCO3(중탄산나트륨)을 생성하고, H+는 Cathode를 통해 전자를 받아 H2 가스를 생성한다. 이에 필요한 전위는 -0.4V이다.
수전해를 통한 수소 생산의 대표적인 방식은 고분자 전해질막 수전해(PEMWE)와 알칼리 수전해(AWE)이다. 고분자 전해질막 수전해는 물(H2O) 산화 반응으로 산소(O2)와 수소(H2)를 생산하고, 알칼리 수전해는 Anode에서는 OH- 산화, Cathode에서는 물(H2O) 환원 반응으로 산소(O2)와 수소(H2)를 생산하는데 두 방식 모두 -1.23V의 전위를 필요로 한다.
도 5는 본원발명의 일실시예에 따른 고분자 전해질막 수전해 및 알칼리 수전해 전력 필요량 개념도이다.
도 6은 OH 산화 수전해, 알칼라인 수전해 및 고분자 전해질막 수전해의 예상소비전력 비교표이다.
수소 1kg을 생산하는데 필요한 수전해 공정의 전력 소모량은 평균 56.2kwh(5kwh/㎥ H2) 정도인데 CO2 해수 용해와 OH- 산화 공정은 표준환원전위가 수전해보다 67% 낮아짐으로 전력 소모량은 18.3kwh 정도로 줄어든다.
CO2 해수 용해와 OH- 산화에 의한 수소 생산에서 수소와 가성소다(NaOH)의 중량비는 1:40이므로 수소 1kg 생산에 NaOH 40kg이 필요하며 이에 필요한 전력은 28kwh이다. (2NaOH → 2H+ + 2e- → H2)
그러므로, NaOH 소모량을 감안한 CO2 해수 용해와 OH- 산화에 의한 수소 1kg 생산의 전력 소모량은 46.3kwh이다.
도 7은 본원발명의 일실시예에 따른 염화수소를 이용한 수소생산 개념도이다.
물분해 전기투석에서 생산된 염산(HCl) 용액에 금속(Fe, Zn, Al 등)을 산화시키면 수소(H2)를 얻을 수 있다.
물분해 전기투석에서 NaOH와 동일한 몰수의 HCl이 생산되고 이를 금속과 반응시키면 CO2 해수 용해와 OH- 산화에 의한 수소 생산과 동일한 양의 수소를 얻을 수 있다.
염화합물은 이온교환막에 의해 염수(NaCl)의 Na+이온과 반응하고 이온화경향이 작은 금속이온은 석출되며 이를 회수하여 염산(HCl)과의 산화반응에 재이용할 수 있다.
상기 금속염화합물의 금속회수조(400)를 반영한 전체 시스템은 도 8에서 확인할 수 있다.
염산의 금속 용해 반응은 별도의 에너지가 필요하지 않으므로 물분해 전기투석에서 생산한 NaOH와 HCl로 모두 수소를 생산하면 전력량을 절반으로 줄일 수 있다.
도 9는 염화수소를 이용한 금속산화반응의 수소생산과 수전해의 전력량을 비교한 표이다.
물분해 전기투석으로 생성된 NaOH로 수소를 생산하는 것은 산업현장에서 포집된 CO2를 활용할 수 있으며 이 경우 수소 생산 공정은 CO2가 배출되는 산업현장 혹은 그 인근에 마련되어야 한다. 반면에, HCl의 금속 산화반응의 경우 CO2의 활용 없이도 수소 생산이 가능하므로 별도의 위치에 공정을 구비하는 것 또한 가능하다. 두 가지 경우의 전력소모량은 달라지며 또한 물분해 전기투석 방법에 따라 변동될 수 있다. 포집된 CO2를 활용하고 산.알칼리로 수소를 생산할 경우와 CO2 활용 없이 HCl의 금속 산화반응으로 수소를 생산할 경우의 전력소모량을 수전해와 비교하면 단위 수소kg당 염화수소의 금속산화반응의 경우, 28kwh가 일반적인 수전해 반응은 56.2kwh가 예상되어 그 에너지 효율적인 측면에서 경쟁력이 있다.
본원발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본원발명의 범주내에서 다양한 응용 및 변형을 수행하는 것이 가능할 것이다.
100: 전기투석조
200: 수소생산조
300: 알칼리수전해
400: 금속회수조

Claims (9)

  1. 해수가 통과하여 담수와 염화수소 및/또는 수산화나트륨을 선택적으로 생산하는 전기투석조(100);
    상기 전기투석조에서 생산된 상기 염화수소를 포함한 상기 담수를 금속과 산화시켜 수소를 생산하는 수소생산조(200);
    상기 전기투석조에서 생산된 상기 수산화나트륨을 포함한 상기 담수를 이용하여 수소를 생산하는 알칼리수전해조(300);을 포함하고,
    상기 해수는 이산화탄소가 용해된 해수인 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기투석조는 바이폴라막과 양이온교환막 및/또는 음이온교환막을 선택적으로 포함하는 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소의 용해도를 높이기 위하여 상기 해수의 온도는 0℃ 이상 내지 20℃이하로 유지하는 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속은 Fe, Zn, Al 중 어느 하나 이상이며 이론반응조건으로 2몰의 염화수소 당 1몰이 수소를 생산하는 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 해수에 상기 이산화탄소가 용해되면서 생성되는 중탄산이온(HCO3 -)을 상기 알칼리수전해조의 환원극 전해질로 활용하는 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 환원극 전해질로 중탄산이온(HCO3 -)을 사용하고, 상기 산화극 전해질로 상기 수산화나트륨을 사용하면서 수소 생산에 필요한 표준환원전위값은 0.4V인 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 알칼리수전해조의 상기 수소생산을 위한 전력소모량은 16 kwh/kgH2 내지 20 kwh/kgH2인 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 알칼리수전해조 및 상기 수산화나트륨 소모량을 고려한 전력소모량은 44 kwh/kgH2 내지 48 kwh/kgH2인 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 시스템.
  9. 전기투석조(100)를 이용하여 해수가 통과하여 담수와 염화수소 및/또는 수산화나트륨을 선택적으로 생산하는 제1단계;
    수소생산조(200)를 이용하여 상기 전기투석조에서 생산된 상기 염화수소를 포함한 상기 담수를 금속과 산화시켜 수소를 생산하는 제2단계;
    알칼리수전해조(300)를 이용하여 상기 전기투석조에서 생산된 상기 수산화나트륨을 포함한 상기 담수를 이용하여 수소를 생산하는 제3단계;를 포함하고,
    상기 해수는 이산화탄소가 용해된 해수인 이산화탄소를 용해한 해수와 전기투석을 이용한 수소 생산 방법.
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