WO2016108603A1 - 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템 - Google Patents

이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템 Download PDF

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WO2016108603A1
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electrochemical reduction
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intermittent
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신운섭
박미정
김석규
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서강대학교산학협력단
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Definitions

  • CCS Carbon Capture and Utilization
  • FIG. 3 shows the current efficiency for the conversion of carbon dioxide to formate through intermittent drive for 6 hours per day for one month in an intermittent electrochemical reduction system of smart grid-linked carbon dioxide according to one embodiment of the present disclosure.
  • the current density applied through the energy source is about 350 mA / cm 2 It may be, but may not be limited to.
  • the current density is about 2 mA / cm 2 To about 350 mA / cm 2 , About 2 mA / cm 2 To about 300 mA / cm 2 , About 2 mA / cm 2 To about 250 mA / cm 2 , About 2 mA / cm 2 To about 200 mA / cm 2 , About 2 mA / cm 2 To about 150 mA / cm 2 , About 2 mA / cm 2 To about 100 mA / cm 2 , About 2 mA / cm 2 To about 50 mA / cm 2 , About 2 mA / cm 2 To about 10 mA / cm 2 , About 10 mA / cm 2 To about 350 mA / cm 2 , About 50 mA / cm 2 To about 350 mA / cm 2 , About 50 mA / cm 2
  • the intermittent electrochemical reduction system of carbon dioxide as shown in Figure 1, the cathode electrode unit 100, the anode electrode 110, the cathode electrode 100 and the oxidation
  • a membrane separating the electrode unit 110, the first chamber 200 connected to the reduction electrode unit 100, and supplying a solution of the reduction electrode unit to the reduction electrode unit 100, to the anode unit 110.
  • a second chamber 210 connected to supply the anode electrode solution to the anode unit 110 and a carbon dioxide supply unit 300 connected to the first chamber 200 to supply carbon dioxide to the reduction electrode unit 100.
  • the idle power of electrical energy generated by thermal power or nuclear power may be midnight power, but may not be limited thereto.
  • the daily electricity supply and demand in our country is about 1,000 kW less than the electricity used during the night time zone.
  • the electrochemical reduction of carbon dioxide according to one embodiment of the present application may be performed intermittently by utilizing the power of the late night time zone with low power consumption, but may not be limited thereto.
  • a first pump 220 connected to the first chamber 200 and a second pump 230 connected to the second chamber 210 may be further included, but are not limited thereto.
  • the cathode electrode solution and the anode solution may be circulated by the first pump 220 and the second pump 230, but may not be limited thereto.
  • it may further include a pH adjusting unit 700 connected to the first chamber 200 and the second chamber 210, but may not be limited thereto.
  • a pH control unit 700 Through the pH control unit 700, by monitoring and controlling the pH, it is possible to implement an efficient, stable electrolysis conditions.
  • the electrolysis when the electrolysis is performed for a long time, if the product is produced at a certain concentration or more, the voltage may change rapidly, which may be due to the sharp change in the pH of the electrode portion solution.
  • the sharp change in pH is due to the breakage of the buffer system of the cathode solution as the hydrogen ions produced from the anode solution are oversupplied to the cathode solution through the separator.

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Abstract

이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템에 관한 것이다.

Description

이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템
본원은, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템에 관한 것이다.
지구상의 탄소를 기반으로 한 물질들은 여러 형태로 탄소순환을 형성하며 일정한 양을 유지하고 균형을 이루고 있다. 하지만 탄소순환을 형성하는 물질 중 하나인 대기 중 이산화탄소(CO2)의 증가로 인해 이러한 균형이 깨지고 있다.
대기 중 이산화탄소의 증가로 인한 가장 큰 문제는 지구 온난화이다. 유엔 정부간기후변화위원회(IPCC)는 세계 각국이 기후변화에 너무 안이하게 대처해 앞으로 15 년간 이산화탄소의 배출을 억제하지 못하면 현재의 기술로는 기후변화 문제 해결이 사실상 불가능한 수준으로 떨어질 것이라고 진단하기도 했다. 이에, 대기 중에 급속한 이산화탄소 증가의 위험성을 인식하면서 전세계적으로 대기 중 이산화탄소를 제거하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.
최근까지 대기 중 이산화탄소를 제거하기 위한 기술로서 CCS(carbon capture and storage)가 활발히 연구되어왔다. 하지만, 상기 CCS의 경우 포집된 이산화탄소를 저장할 수 있는 넓은 공간이 필요할 뿐만 아니라 많은 양의 이산화탄소를 한 곳에 저장하는 것에 대한 위험성이 존재한다. 이러한 문제로 인해 최근에는 포집된 CO2를 저장하지 않고 바로 유용한 물질로 전환할 수 있는 CCU(Carbon Capture and Utilization) 기술이 주목받고 있다. CCS가 포집한 이산화탄소를 폐자원으로 묻어 없애버리는 것이라면, CCU의 경우는 이를 활용하여 고부가가치의 제품으로서 재활용하는 기술이다. 이산화탄소는 지구상에 존재하는 탄소원 중 가장 많이 존재하는 물질이기 때문에 이를 활용하여 유용한 물질로 전환하는 다양한 기술이 연구 중이다[대한민국 공개특허 제10-2008-0016198호].
전기화학적인 이산화탄소 전환의 경우 일종의 촉매화학적 방법으로 전기에너지를 사용하여 전극반응을 통해 이산화탄소를 전환하는데, 비교적 상온·상압 조건에서 전환이 가능하고, 장비가 간단하고, 시스템에 사용되는 작업전극의 종류에 따라서 선택적으로 생성물을 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있어 효과적인 이산화탄소 전환이 가능한 방법이다[대한민국 공개특허 제2014-0084640호]. 그러나, 전기화학적 방법을 사용하여 이산화탄소를 전환할 경우, 전력 수급 문제로 인한 정전 등의 문제점이 발생할 수 있다.
최근 기존 전력망에 정보 기술을 접목하여 전력 공급자와 사용자가 양방향으로 실시간 정보를 교환하는 지능형 전력망인, 스마트 그리드에 대한 관심이 높아지고 있다. 사용자의 시간대별 전력 사용량이 실시간으로 측정되어 전력 공급자에게 전송되기 때문에, 전력 공급자 및 사용자 모두가 에너지 효율을 최적화하고, 비율을 절감할 수 있다. 즉, 전력 공급자는 실시간으로 파악한 전력 사용 현황을 바탕으로 전력 공급량을 탄력적으로 조절할 수 있으며, 전력 사용자 또한 전력 사용 시간 및 사용량을 조절할 수 있다.
이산화탄소를 유용한 물질로 전환하기 위한 여러 연구가 존재하나, 간헐적으로 전원을 공급하여 이산화탄소를 안정적으로 전환시키는 방법에 관한 다른 보고는 아직까지 발표된 바 없다.
본원은, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템을 제공하고자 한다.
그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본원의 일 측면은, 산화전극부와 이산화탄소가 공급되는 환원전극부를 포함하는 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기, 및 상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기에 간헐적으로 전기를 공급하기 위한 에너지원 공급부를 포함하며, 상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기에 간헐적으로 전기를 인가함으로써 상기 이산화탄소가 환원되는 것인, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템을 제공한다.
본원의 일 구현예에 의하면, 화력, 원자력, 풍력, 조력, 지력, 태양광, 또는 수력 등으로부터 생성되는 전기 에너지를 이용하여, 이산화탄소를 포름산, 일산화탄소, 메탄올 등의 유용한 화합물로 전환함으로써 부가가치 있는 화합물을 상업적으로 활용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 의하면, 풍력, 조력, 지력, 태양광, 또는 수력 등의 신재생 에너지를 사용하여 이산화탄소를 간헐적으로 환원시킴으로써, 기존의 화력 발전을 이용하는 경우, 전력 생산에 있어서 어느 정도의 이산화탄소를 생성하는 것과는 달리, 탄소 0 상태의 전기 에너지원을 활용하여 이산화탄소 저감 시스템을 구축할 수 있다.
본원의 일 구현예에 의하면, 화력 발전 또는 원자력 발전에 의해 발생된 전력 중 심야 전력을 에너지원으로서 사용하여 간헐적으로 이산화탄소를 전기화학적으로 환원시킴으로써 유휴 전력 또는 저렴한 전력을 활용할 수 있다.
본원의 일 구현예에 의하면, 상기 이산화탄소가 전환된 포름산, 일산화탄소, 또는 메탄올 등의 화합물을 연료 전지의 원료로서 사용함으로써 상기 화합물들을 전기 에너지로서 재생산할 수 있다.
본원의 일 구현예에 의하면, 상기 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템을 스마트 그리드와 연계함으로써 보다 효율적으로 공정을 진행할 수 있다.
본원의 일 구현예에 의하면, 이산화탄소의 전기화학적 환원 장치에 pH 모니터링 및 제어 시스템을 포함시킴으로써 효율적이며 안정적인 이산화탄소의 전기분해 조건을 구현할 수 있으며, 생성물 및 부생성물의 모니터링 시스템을 포함함으로써 공정을 효과적으로 운용할 수 있을 뿐만 아니라, 본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소를 환원시킴으로써 생성된 생성물과의 농축 공정과도 연계가 가능하다.
도 1은 본원의 일 구현예에 따른 스마트 그리드-연계된 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템을 나타낸 모식도이다.
도 2a 및 도 2b는 본원의 일 구현예에 따른 스마트 그리드-연계된 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템의 전극을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 스마트 그리드-연계된 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템에서 한달 동안 하루에 6 시간씩 간헐적 구동을 통한 이산화탄소의 포름산염으로의 전환에 대한 전류 효율을 나타낸 것이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 있어서, 전극의 다공도 및 전류 밀도에 따른 이산화탄소의 포름산염으로의 전환에 대한 전류 효율을 나타낸 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~(하는) 단계” 또는 “~의 단계”는 “~ 를 위한 단계”를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합(들)”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본원 명세서 전체에서, “A 및/또는 B”의 기재는 “A 또는 B, 또는 A 및 B”를 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 측면은, 산화전극부와 이산화탄소가 공급되는 환원전극부를 포함하는 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기, 및 상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기에 간헐적으로 전기를 공급하기 위한 에너지원 공급부를 포함하며, 상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기에 간헐적으로 전기를 인가함으로써 상기 이산화탄소가 환원되는 것인, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템을 제공한다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기는 상온, 상압에서 구동되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 기존의 촉매를 이용한 포름산 생성 공정 등 대부분의 공정은 고온, 고압의 반응으로 에너지 손실 없이 간헐적으로 구동할 수 없다. 그러나, 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템은 안정적으로 작동하는 전극 및 전기화학시스템을 포함하며, 이에 따라, 상기 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템은 상온, 상압에서 안정적으로 구동할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에너지원은 신재생 에너지로부터 생성되는 전기 에너지인 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 신재생 에너지는 풍력, 조력, 지력, 태양광, 또는 수력을 이용하여 발생되는 에너지를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 신재생 에너지로부터 전기 에너지를 생성할 경우, 상기 신재생 에너지는 탄소 0 상태의 전기 에너지원을 활용할 수 있기 때문에, 이산화탄소의 발생이 거의 없이 이산화탄소를 저감시키는 시스템을 구성할 수 있다.
본원의 다른 구현예에 있어서, 상기 에너지원은 화력 또는 원자력 발전으로부터 생성되는 심야 전력을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 화력 또는 원자력 발전은 우리 나라의 기저전력을 담당하는 에너지원으로서 우리 나라에서 사용되는 전력의 약 50% 이상을 차지하고 있다. 특히, 상기 화력을 이용하여 전기를 생산할 경우, 전력 약 1 MWh 당 약 0.442 톤의 이산화탄소가 발생되기 때문에, 사용되는 양에 비례하여 이산화탄소의 발생량 또한 많아질 수 있다. 그러나, 상기 화력이 차지하는 비중이 증가하고 있으며, 이에 따른 유휴 전력을 전기화학적으로 유용한 물질로 전환시킴으로써 전기 에너지 저장 시스템(electric energy storage system)과 같이 전기를 저장하는 것과 동등한 효과를 가지게 된다. 더불어, 거대한 전지 시스템 및 송전 시스템의 구성이 필요 없기 때문에 더욱 간단하게 유휴 전력을 유용한 물질로 전환시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에너지원으로서 상기 신재생 에너지를 사용할 수 있다. 상기 신재생 에너지는 풍력, 조력, 지력, 태양광, 또는 수력 등을 이용하여 발생되는 일정하지 않은 에너지로부터 전기를 수득하는 것이다. 상기 신재생 에너지의 경우 조건에 따라 발전 능력에 차이가 있기 때문에, 그 자체로 본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기에 전기를 간헐적으로 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 신재생 에너지를 사용할 경우, 발생하는 전력량에 따라 전류 밀도를 낮추거나 또는 전체 스택화된 이산화탄소 환원 시스템의 일부만 구동시킬 수 있다. 이에 따라 발생하는 전력량에 비례하여 이산화탄소를 전기화학적으로 환원시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에너지원으로서 화력 또는 원자력에 의해 생성되는 전기 에너지 중 유휴 전력을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 유휴 전력은 심야 전력일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 우리 나라의 하루 전력 수급량은, 심야 시간대에 사용되는 전력량이 낮 시간대에 사용되는 전력량에 비하여 약 1,000 kW 정도 적다. 이와 같이, 전력 사용량이 적은 심야 시간대의 전력을 활용하여 본원의 일 구현예에 따른 상기 시스템을 이용하여 이산화탄소의 전기화학적 환원을 간헐적으로 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템은, 상기 이산화탄소의 전가화학적 환원 반응기에 상기 에너지원을 간헐적으로 인가하기 위한 스마트 그리드 서버를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 에너지원으로서 화력 또는 원자력 발전으로부터 생성된 전기 에너지 중, 심야 전력을 사용할 경우, 상기 스마트 그리드 서버를 이용하여 상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 시스템에 상기 심야 전력을 간헐적으로 인가할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 스마트 그리드 서버는 시간대별 전력량을 수집하는 스마트 그리드 정보 수집부를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 하루에 생산되는 공급 전력량은 수요 전력량보다 많으나, 전력 사용 시간이 낮 시간에 집중되어 있어, 전력 수급으로 인한 정전 문제 등이 발생할 수 있다. 이에, 상기 스마트 그리드 정보 수집부를 통해 수집된 시간대별 전력량을 바탕으로, 전력 사용량이 적은 심야 시간대에 심야 전력을 이용하여 이산화탄소를 환원시킴으로써 전력 수급에 따른 정전 등의 문제를 해소할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에너지원을 통해 인가된 전류 밀도는 약 350 mA/cm2 이하일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전류 밀도는 약 2 mA/cm2 내지 약 350 mA/cm2, 약 2 mA/cm2 내지 약 300 mA/cm2, 약 2 mA/cm2 내지 약 250 mA/cm2, 약 2 mA/cm2 내지 약 200 mA/cm2, 약 2 mA/cm2 내지 약 150 mA/cm2, 약 2 mA/cm2 내지 약 100 mA/cm2, 약 2 mA/cm2 내지 약 50 mA/cm2, 약 2 mA/cm2 내지 약 10 mA/cm2, 약 10 mA/cm2 내지 약 350 mA/cm2, 약 50 mA/cm2 내지 약 350 mA/cm2, 약 100 mA/cm2 내지 약 350 mA/cm2, 약 150 mA/cm2 내지 약 350 mA/cm2, 약 200 mA/cm2 내지 약 350 mA/cm2, 약 250 mA/cm2 내지 약 350 mA/cm2, 또는 약 300 mA/cm2 내지 약 350 mA/cm2일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전류 밀도가 높을수록, 동일 면적에서 더 많은 생성물을 수득할 수 있다. 따라서, 상기 전류 밀도가 높을수록 공간적으로 소형화(compact) 시스템을 구현할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템은, 도 1에 도시된 바와 같이, 환원전극부(100), 산화전극부(110), 상기 환원전극부(100)와 상기 산화전극부(110)를 분리하는 멤브레인, 상기 환원전극부(100)에 연결되어 상기 환원전극부(100)에 환원전극부 용액을 공급하는 제 1 챔버(200), 상기 산화전극부(110)에 연결되어 상기 산화전극부(110)에 산화전극부 용액을 공급하는 제 2 챔버(210), 상기 제 1 챔버(200)에 연결되어 이산화탄소를 상기 환원전극부(100)에 공급하는 이산화탄소 공급부(300), 상기 환원전극부(100) 및 상기 산화전극부(110)에 각각 연결되어 상기 환원전극부(100) 및 상기 산화전극부(110)에 전압 또는 전류를 인가하기 위한 에너지원 공급부(400), 및 상기 제 1 챔버(200)에 각각 연결되어, 각각 본원에 따른 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원을 통해 생성된 생성물을 모니터링하는 생성물 모니터링부(500) 및 기체-액체 분리조(600)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원전극부(100) 및 상기 산화전극부(110)를 포함하는 전극부는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 스태킹(stacking) 구조를 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템은, 상기 에너지원 공급부(400)에 연결되어 상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기에 에너지원을 간헐적으로 인가하도록 제어하는 스마트 그리드 서버를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 에너지원으로서 풍력, 조력, 지력, 태양광, 또는 수력 등의 일정하지 않은 에너지원으로부터 수득되는 신재생 에너지를 이용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 신재생 에너지의 경우 조건에 따라 발전 능력에 차이가 있기 때문에, 그 자체로 본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기에 전기를 간헐적으로 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 신재생 에너지를 사용할 경우, 발생하는 전력량에 따라 전류 밀도를 낮추거나 또는 전체 스택화된 이산화탄소 환원 시스템의 일부만 구동시킬 수 있다. 이에 따라 발생하는 전력량에 비례하여 이산화탄소를 전기화학적으로 환원시킬 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에너지원으로서 화력 또는 원자력에 의해 생성되는 전기 에너지 중 유휴 전력을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 유휴 전력은 심야 전력일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 우리 나라의 하루 전력 수급량은, 심야 시간대에 사용되는 전력량이 낮 시간대에 사용되는 전력량에 비하여 약 1,000 kW 정도 적다. 이와 같이, 전력 사용량이 적은 심야 시간대의 전력을 활용하여 본원의 일 구현예에 따른 이산화탄소의 전기화학적 환원을 간헐적으로 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 시스템은 상기 에너지원을 간헐적으로 인가하기 위한 스마트 그리드 서버를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 에너지원으로서 화력 또는 원자력에 의해 생성된 전기 에너지 중, 심야 전력을 사용할 경우, 상기 스마트 그리드 서버를 이용하여 상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 시스템에 상기 심야 전력을 간헐적으로 인가할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 스마트 그리드 서버는 시간대별 전력량을 수집하는 스마트 그리드 정보 수집부를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 에너지원으로서 화력 또는 원자력에 의해 생성되는 전기 에너지를 사용할 경우, 상기 스마트 그리드 정보 수집부를 통해 수집된 시간대별 전력량을 토대로, 전력 사용량이 적은 심야 전력을 활용하여 상기 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템에 상기 스마트 그리드 서버로부터 산출된 심야 전력을 인가할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 스마트 그리드 서버에 의해 인가된 전류 밀도가 높을수록, 상기 전극부에 필요한 스태킹(stacking) 수가 감소할 수 있으며, 이에 따라, 시스템이 소형화(compact)될 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 에너지원 공급부(400)는 정전압기 또는 정전류기를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 챔버(200)에 포함된 환원전극부 용액 및 상기 제 2 챔버(210)에 포함된 산화전극부 용액에 포함되는 전해질은 K2SO4, KHCO3, KCl, KOH, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전해질로서 KHCO3를 사용할 경우, 전도도를 높이기 위하여 보조 전해질로서 KCl을 함께 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질로서 KHCO3 및 KCl을 사용할 경우, 안정적인 전류 효율을 가지며 장시간 이산화탄소를 전환할 수 있으나, 장시간 동안 전기분해를 수행 시, Cl- 이온이 산화전극부로 넘어가 염소(Cl2)가 발생할 수 있다. 상기 염소의 발생에 의해 금속 부식 또는 튜브가 녹는 문제 등이 발생할 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전해질로서 KHCO3 만을 사용하는 경우, 전도도가 감소하기 때문에 효율이 약 10% 감소할 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전해질로서 K2SO4를 사용할 경우, 전해질로서 KHCO3 및 KCl을 사용할 때보다 약 5% 내지 약 10%의 효율이 증가하며, 염소가 발생하지 않기 때문에, 부식 등의 문제를 해결할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 2 챔버(210)에 포함된 상기 산화전극부 용액은 금속 수산화물을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 금속 수산화물은 알칼리 금속의 수산화물을 포함하는 것일 수 있으며, 예를 들어, KOH, NaOH, LiOH, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 환원전극부(100)는 주석, 수은, 납, 인듐, 또는 아말감 전극을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 아말감 전극은 기재 전극의 표면에 Hg, Ag, In, Sn, Pb, Cu, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 금속이 형성된 것을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 아말감 전극은 치과용 아말감을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 치과용 아말감은 수은에 의한 독성을 무시할 수 있는 안전한 아말감 전극을 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 아말감 전극은 약 35 내지 약 55 중량부의 Hg, 약 14 내지 약 34 중량부의 Ag, 약 7 내지 약 17 중량부의 Sn, 및 약 4 내지 약 24 중량부의 Cu를 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기재 전극은 다공성, 판형, 로드형, 또는 폼(foam)형을 가지는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 다공성을 가지는 기재 전극은 그래뉼라(granular) 집합체, 표면처리에 의한 다공성화 전극, 또는 메쉬(mesh)형 금속 전극을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기재 전극은 구리, 주석, 니켈, 탄소, 유리탄소, 은, 금, 및 이들의 조합들로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 챔버(200)에 연결된 제 1 펌프(220) 및 상기 제 2 챔버(210)에 연결된 제 2 펌프(230)를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 제 1 펌프(220) 및 상기 제 2 펌프(230)에 의해 상기 환원전극부 용액 및 상기 산화전극부 용액이 순환되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 전기화학적 환원 반응기에 전기를 비공급할 경우, 상기 환원전극부 용액 및 상기 산화전극부 용액이 순환되지 않고 각각 상기 제 1 챔버(200) 및 상기 제 2 챔버(210)에서 유지되는 것일 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 제 1 챔버(200) 및 상기 제 2 챔버(210)에 연결된 pH 조절부(700)를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 상기 pH 조절부(700)를 통해, pH를 모니터링하고, 제어함으로써 효율적이고, 안정적인 전기분해 조건을 구현할 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 장시간 동안 전기분해를 수행할 경우, 생성물이 일정 농도 이상 생성되면 전압이 급격히 변할 수 있으며, 이는 산화전극부 용액의 pH가 급격히 변하는 것에 기인할 수 있다. 상기 pH가 급격히 변하는 것은 산화전극부 용액에서 생성된 수소이온이 분리막을 통해 환원전극부 용액으로 과잉 공급됨에 따라 환원전극부 용액의 완충 시스템이 깨지는 것에 기인한다. 따라서, 상기 산화전극부 용액에 상기 금속 수산화물을 지속적으로 넣어줄 경우, 생성된 수소이온을 중화시켜 상기 산화전극부 용액의 pH 및 전압을 일정하게 유지시켜 과잉 공급되는 수소이온의 양을 조절할 수 있어, 장시간 동안 전기분해가 가능해질 수 있다. 따라서, 상기 pH 조절부(700)를 통해, pH를 모니터링하고, 제어함으로써 효율적이고, 안정적인 전기분해 조건을 구현할 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상온, 상압에서 안정적으로 작동하는 전극 및 전기화학 시스템을 구성함으로써 상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 시스템이 간헐적으로 구동할 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 생성물 모니터링부(500)에 포함되어, 생성물을 감지하는 생성물 센서(510)를 추가 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 생성물 모니터링부(500)를 통해, 주생성물 및 부생성물을 모니터링함으로써, 본원에 따른 이산화탄소의 간헐적인 전기화학적 환원 공정을 효과적으로 운용할 수 있을 뿐만 아니라, 농축 공정과도 연계가 가능하다. 예를 들어, 상기 생성물 모니터링부(500)를 통해 모니터링되는 주생성물은 포름산염일 수 있고, 부생성물은 수소일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 기체-액체 분리조(600)에 연결되어, 상기 이산화탄소의 환원 시 발생하는 수소 또는 일산화탄소 등의 기체를 감지하는 기체 센서(610)를 포함할 수 있으며, 상기 기체 센서는 상기 생성물 모니터링부(500)에 연결될 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이산화탄소가 포름산, 일산화탄소, 또는 메탄올 등의 유용한 화합물로 전환되는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
본원의 일 구현예에 있어서, 상기 이산화탄소를 전기화학적으로 환원시켜 수득한 포름산, 일산화탄소, 또는 메탄올 등의 화합물을 연료 전지의 원료로서 사용하여 전기 에너지로 재생산하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다.
이하, 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.
[실시예]
이산화탄소의 간헐적인 전기화학적 환원
본 실시예에서는 한달 동안 하루에 6 시간씩 간헐적인 구동을 통해, 전기분해를 진행하였다. 0.5 M K2SO4에 CO2를 포화시킨 용액을 전해질로서 사용하여, 9 cm x 9 cm 크기의 다공성 전극에 50 mA/cm2의 정전류를 인가하여 하루에 6 시간씩 한달 동안 간헐적인 구동을 통해 전기분해를 진행하였다. 도 3에 도시된 바와 같이, 한달 동안 약 90% 이상의 효율로 안정적인 전기분해가 가능함을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 간헐적인 운행을 통해 전기화학적으로 이산화탄소를 전환하여도 전극이 안정적인 것을 확인할 수 있었다. 이는 전력 요금이 낮은 심야 시간에 본 시스템이 활용 가능함을 보여주는 것이다.
전극의 다공도 및 전류 밀도에 따른 전류 효율
전류 밀도를 증가시키기 위해, 먼저 동일한 두께와 겉보기 면적을 가지는 전극의 다공도(porosity)를 높여 실제 표면적을 증가시켰다. 상기 전극에 전류밀도를 증가시킨 전류를 인가하여 전기 분해를 진행하였다. 도 4에 도시된 바와 같이, 20 ppi(pore per inch) 전극의 경우 100 mA/cm2의 전류밀도에서도 안정적으로 전기 분해가 가능하였고, 30 ppi 전극의 경우 350 mA/cm2의 전류밀도에서도 안정적으로 전기 분해가 가능한 것을 확인할 수 있었다.
상기 실시예에 있어서, 전극 크기 및 전류 밀도에 따른 상기 스마트 그리드-연계된 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템의 소형화(compact) 가능성을 하기 표 1에 나타냈다.
Figure PCTKR2015014454-appb-T000001
상기 표 1에 도시된 바와 같이, 상기 전류 밀도가 높을수록, 환원전극부 및 산화전극부를 포함하는 전극부에 필요한 스태킹 수가 감소했으며, 동일 면적에서 더 많은 생성물을 수득할 수 있었다. 따라서, 본 실시예에 따른 상기 전류 밀도가 높을수록 공간적으로 소형화(compact) 시스템을 구현할 수 있을 것으로 사료되었다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 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.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 산화전극부와 이산화탄소가 공급되는 환원전극부를 포함하는 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기; 및,
    상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기에 간헐적으로 전기를 공급하기 위한 에너지원 공급부
    를 포함하며,
    상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기에 간헐적으로 전기를 인가함으로써 상기 이산화탄소가 환원되는 것인,
    이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기는 상온, 상압에서 구동되는 것인, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지원은 신재생 에너지로부터 생성되는 전기 에너지인 것인, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지원은 화력 또는 원자력 발전으로부터 생성되는 심야 전력을 포함하는 것인, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 신재생 에너지는 풍력, 조력, 지력, 태양광, 또는 수력을 이용하여 발생되는 에너지를 포함하는 것인, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지원을 간헐적으로 인가하기 위한 스마트 그리드 서버를 추가 포함하는 것인, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 스마트 그리드 서버는 시간대별 전력량을 수집하는 스마트 그리드 정보 수집부를 추가 포함하는, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지원을 통해 인가된 전류 밀도는 350 mA/cm2 이하인, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템은,
    멤브레인에 의하여 분리된 환원전극부 및 산화전극부;
    상기 환원전극부에 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부;
    상기 환원전극부와 상기 산화전극부에 전압 또는 전류를 인가하기 위한 에너지원 공급부; 및,
    상기 이산화탄소가 전환된 생성물을 모니터링하는 생성물 모니터링부를 포함하는 것인, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 에너지원 공급부에 연결되어 상기 이산화탄소의 전기화학적 환원 반응기에 상기 에너지원을 간헐적으로 인가하도록 제어하는 스마트 그리드 서버를 추가 포함하는 것인, 이산화탄소의 간헐적 전기화학적 환원 시스템.
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