WO2018216987A1 - 실시간 최적화 태양 에너지-이산화탄소 환원 시스템 - Google Patents

실시간 최적화 태양 에너지-이산화탄소 환원 시스템 Download PDF

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WO2018216987A1
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carbon dioxide
reduction system
friendly
effective area
electrode
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PCT/KR2018/005793
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남기태
하정익
장우제
이경환
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서울대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to an environment-friendly carbon dioxide reduction system, and more particularly, to a carbon dioxide reduction system for converting carbon dioxide, which is a representative greenhouse gas, into high carbon number hydrocarbons at maximum efficiency using sunlight.
  • fuel production through carbon dioxide reduction is of interest as a high value-added technology in that it can produce hydrocarbons with high energy density and high carbon number comparable to fossil fuels, while directly lowering the greenhouse gas concentration generated by the use of fossil fuels.
  • carbon dioxide reduction is of interest as a high value-added technology in that it can produce hydrocarbons with high energy density and high carbon number comparable to fossil fuels, while directly lowering the greenhouse gas concentration generated by the use of fossil fuels.
  • This carbon dioxide reduction technology reduces the carbon dioxide by using heat or electric energy to obtain a desired product. If another fossil fuel energy source such as petroleum is used to obtain the heat or electric energy required for the reduction of carbon dioxide, another environmental problem is solved. It may be generated. Therefore, it is desirable to use renewable energy sources to develop carbon dioxide reduction technology more environmentally friendly.
  • the technology that reduces carbon dioxide as the energy source which is the most emerging renewable energy source, is the technology that can obtain high value-added hydrocarbon materials as the ultimate eco-friendly technology.
  • the solar cell can apply only a specific voltage and current for the specific light intensity to the electrolyzer.However, since the type and composition of carbon dioxide varies depending on the voltage applied to the electrolyzer, the user wants to directly connect the solar cell to the electrolyzer. It is very difficult to obtain by adjusting the product.
  • carbon dioxide requires a high energy for the activation of the reaction, there is a problem that the chemical selectivity is low because the product by the reaction includes hydrogen and various hydrocarbon species.
  • the product by the reaction includes hydrogen and various hydrocarbon species.
  • hydrocarbons consisting of four or more carbons through electrochemical conversion of carbon dioxide, more than 20 electrons and protons must be involved.
  • the hydrogen evolution reaction occurring under the same conditions (pressure, temperature, applied voltage) requires only two electrons and protons, the carbon dioxide reduction reaction is inherently a technical challenge.
  • the electrical energy applied to the electrolysis devices must ultimately be provided from alternative energy sources, but unlike petroleum energy that can be provided on a constant basis, alternative energy sources such as solar energy have a large variation in time and location. It is not suitable for maximizing a specific product in a carbon dioxide reduction reaction because it does not provide a constant electrical energy.
  • a solar cell An electrolytic unit including a DC-EC combination including a carbon dioxide electrolyzer and a DC / DC converter; An electrode effective area controller for controlling an effective area in which a reduction reaction occurs by contact between an electrolyte and an electrode in the carbon dioxide electrolyzer; A DC / DC gain control unit controlling the gain of the DC / DC converter; And a collecting unit for collecting a product generated by the carbon dioxide electrolyzer, wherein the electrode effective area controller includes a power required for the carbon dioxide electrolyzer operated at a voltage at which the desired product is maximized in the collecting unit and a maximum of the solar cell. The effective area may be controlled to minimize the difference with the power.
  • the electrolytic unit includes a plurality of DC-EC combination units, the plurality of DC-EC combination units are connected to the solar cell in parallel, and the electrode effective area control unit is operated among the plurality of DC-EC combination units.
  • the effective area can be controlled by controlling the number of DC-EC combinations.
  • the DC / DC converter may be a buck converter controlled by a PWM signal having a ratio, and the ratio may be controlled to 0.6 to 0.9.
  • the carbon dioxide electrolyzer may include a plurality of stacked cells, and the electrode effective area control unit may control the effective area by operating at least some of the stacked cells.
  • the eco-friendly carbon dioxide reduction system further includes a current-voltage measuring unit for measuring the voltage or current actually applied to the carbon dioxide electrolyzer, the DC / DC gain control unit based on the voltage or current measured by the current-voltage measuring unit To control the DC / DC converter.
  • the eco-friendly carbon dioxide reduction system further includes a memory, wherein the memory is stored in advance in the form of a look-up table for each voltage-current product applied to the carbon dioxide electrolyzer, the DC / DC gain control unit in the look-up table The DC / DC converter can be controlled based on this.
  • the environmentally friendly carbon dioxide reduction system includes a gas chromatography for measuring the gaseous product collected in the collecting unit, the electrode effective area control unit based on the concentration of the product measured in the gas chromatography the effective area Can be controlled.
  • the environment-friendly carbon dioxide reduction system includes a liquid chromatography for measuring the product of the liquid state collected in the collecting unit, the electrode effective area control unit based on the concentration of the product measured in the liquid chromatography the effective area Can be controlled.
  • the environmentally friendly carbon dioxide reduction system includes a gas chromatography for measuring the gaseous product collected in the collecting unit, the electrode effective area control unit based on the concentration of the product measured in the gas chromatography the effective area Can be controlled.
  • the carbon dioxide electrolyzer may include a cell including a base electrode, an oxide electrode, an ion exchange membrane, and a reducing electrode sequentially stacked, and the base electrode may include a passage through which the electrolyte is circulated.
  • the oxide electrode includes a substrate and nanoparticles applied to the substrate, the nanoparticles have a size of 10 ⁇ 500 nm, the oxide electrode is spray, drop or spin coating a solution in which the nanoparticles are dissolved It is generated by, and may not exceed 10 mg per 1 cm 2 of the oxidation electrode.
  • the energy in the electrolyte circulation can be used to be less than 5% of the current generated in the solar cell.
  • the present invention after forming an electrolyzer based on a transition metal having high catalytic efficiency, it is possible to simply connect a solar cell and a converter to stably collect specific products at maximum efficiency and yield, and to grow the carbon dioxide conversion market.
  • the preemptive effect on the catalyst market which is the most important factor, and the reduction of carbon dioxide at present can be environmentally friendly through alternative energy sources.
  • the carbon reduction electrolyzer based carbon dioxide electrolyzer and the system connected with the converter and the solar cell are examples of environmentally-friendly solutions and high value-added innovations in the current situation where carbon emission reduction is urgently required.
  • the system proposed by the present invention is expected to be applicable to various electrochemical systems such as fuel cells and batteries.
  • FIG. 1 is a block diagram of an environment-friendly carbon dioxide reduction system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a graph for explaining the operation of the environment-friendly carbon dioxide reduction system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is an equivalent circuit of a DC / DC converter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram of an environment-friendly carbon dioxide reduction system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 and 6 illustrate a carbon dioxide electrolyzer including an effective area variable electrode according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram and equivalent circuit diagram of an electrolysis device using solar light of the prior art.
  • Figure 7 (a) is a block diagram showing a solar energy-electrolysis system of the prior art.
  • 7 (b) is an equivalent circuit diagram of a solar energy-electrolysis system of the prior art.
  • the solar energy-electrolysis system of the prior art may include a solar cell 610, a DC / DC converter 630, and an electrolysis device 650.
  • the DC / DC converter 630 converts the applied voltage V EC necessary for electrolysis into the required voltage V EC in the electrolysis device 650.
  • the product is produced constantly regardless of the applied voltage V EC .
  • the present invention is to solve the problems of the prior art, it is possible to provide an environmentally friendly carbon dioxide reduction system for driving the desired material at the most efficient voltage by decomposing carbon dioxide.
  • an environment-friendly carbon dioxide reduction system includes an electrolytic unit 300, a control unit 200, a collecting unit 400, a sensor unit 500, and a solar cell 710.
  • the electrolytic unit 300 includes a plurality of DC-EC combination units 305 each including a carbon dioxide electrolyzer 310 and a DC / DC converter 330, wherein the plurality of DC-EC combination units 305 is provided. (n pieces) are connected in parallel to be configured to collect all the final products in the collection unit 400 including a closed container.
  • a plurality of (eg, eight) DC-EC combination units 305 are connected to one solar cell 710, and an electrode effective area control unit 210 requires the required number of carbon dioxide electrolyzers 310. ) To operate to reduce carbon dioxide.
  • the carbon dioxide electrolyzer 310 includes a cell 351 as shown in FIG. 5.
  • the cell 351 may include base electrodes 352 and 358, an oxide electrode 354, an ion exchange membrane 356, and a reduction electrode 357 that are sequentially stacked.
  • the anode 354 is an electrode based on a metal-based oxide such as Ir, Mn, Co, Fe, Ru, etc.
  • the cathode 357 is formed of Ti and Zr while maintaining a composition of about 20 to 80% of Cu.
  • the alloy is made by mixing metal elements such as Hf, Ni, and Bi.
  • an ion exchange membrane 356 is inserted between the anode 354 and the cathode 357 to form a membrane-electrode assembly.
  • first and second base electrodes carbon-based electrodes in which electrolyte passages are formed in each of the anode 354 and the cathode 357 are stacked to hold the cells 351 of the carbon dioxide electrolyzer 310.
  • the efficiency of generating carbon dioxide reduction products other than hydrogen may be maximized.
  • the KHCO 3 electrolyte in the range of about 1.2 to 1.4 V (vs. RHE) for the oxidation catalyst and in the range of 0.7 to -1.3 V (vs. RHE) in the range of 0.5 to 10 mA in an area of 1 cm 2 An electric current is generated, which allows the carbon dioxide electrolyzer to maximize the carbon dioxide generating efficiency at a total voltage of 1.9 to 2.7V.
  • the reduction electrode 357 utilizes Cu and Bi based electrodes, and may include a substrate, a foam, nanoparticles (10-500 nm), electrodeposition, and a reduced electrode after oxidation.
  • the oxidation electrode 354 may include nanoparticles (10-500 nm), foam, and electrodeposited oxide in the case of Ir, Mn, Co, Ru, Fe oxide electrodes.
  • the oxide electrode 354 and the reduction electrode 357 when the nanoparticles are applied to the substrate electrode, a solution in which the nanoparticles are dissolved may be sprayed, dropped, or spin coated, so as not to exceed 10 mg per 1 cm 2 area. do.
  • Electrolysis is performed by circulating the electrolyte solution in which carbon dioxide is dissolved in the closed container through a pump to the cell 351 continuously.
  • the electrolyte solution may include, for example, one or more of KHCO 3 , K 2 CO 3 , KCl, NaHCO 3 , Na 2 CO 3, and Na 2 SO 4 .
  • the energy required for electrolyte circulation is preferably used to be less than 5% of the current generated in the solar cell. This is because, when energy is consumed in electrolyte circulation, the efficiency of the overall system is reduced by that much.
  • the DC / DC converter 330 is the voltage of the input power generated by the solar cell 710 (V g , The output voltage (V 0 , optimized for producing a desired material) 3) and applied to the base electrode of the cell 351.
  • the DC / DC converter 330 controls the ratio of the input voltage (V g ) and the output voltage (V o ) by using a passive device such as an inductor, a capacitor, and a semiconductor device such as a MOSFET and a diode therein.
  • the input / output voltage of the DC / DC converter 330 of FIG. 3A is controlled according to the switching operation of the MOSFET.
  • control method or control variable of the converter may vary depending on the type of the DC / DC converter.
  • a pulse-width modulation (PWM) converter controls the duty ratio, which means the time to switch on compared to a fixed switching period.
  • PWM pulse-width modulation
  • a switching ratio is mainly used. Or by modulating the switching frequency.
  • 3 (b) is a buck converter, V o / V g is always less than or equal to 1, while FIG. 3 (c) is a boost converter, V o / V g is always greater than or equal to 1.
  • the DC / DC converters of FIGS. 3 (d) to 3 (f) are buck-boost converters in which the functions of the buck converter and the boost converter are combined, and V o / V g may be smaller than or greater than one. It is suitable for applications where the input / output voltage varies over a wide range.
  • a converter topology with buck-boost includes a basic buck-boost converter (Figure 3 (d)), a cascaded buck-boost converter ( Figure 3 (e)), and SEPIC (Single-Ended Parallel).
  • Inductor Converter FIG. 3 (f)
  • the inductance of the DC / DC converter 330 (FIG. 3 (d), L 1 of eh 3 (e) or L 2 of FIG. 3 (f)) is determined according to the operation mode of the DC / DC converter 330. You can change the design value.
  • the operation mode is Continuous Conduction Mode (CCM)
  • CCM Continuous Conduction Mode
  • the inductance value is designed so that the pulsation of the inductor current due to the switching operation is sufficiently small.
  • DCM discontinuous conduction mode
  • the operation mode is discontinuous conduction mode (DCM)
  • DCM discontinuous conduction mode
  • the pulsation of the inductor current is larger than that of the CCM, but the inductance value can be designed small.
  • the inductance value is designed in consideration of the resonance frequency and the resonance capacitor value.
  • diode D1 in the converter may be replaced by a synchronous rectifier (SR) to reduce the conduction loss of the converter.
  • SR synchronous rectifier
  • 3 (g) is an exemplary circuit of a buck converter using a synchronous rectifier instead of a diode.
  • the buck converter may be utilized as the DC / DC converter 330.
  • a ratio of about 0.6-0.9 can be maintained, thereby minimizing the reduction in converter efficiency.
  • the collecting unit 400 of the eco-friendly carbon dioxide reduction system 700 completely blocks inflow of external air and collects and stores products generated by reduction of carbon dioxide.
  • the collecting unit 400 for storing the generated reducing material may be a sealed container that completely blocks the inflow of external air.
  • the sensor unit 500 may include a gas chromatography 510, a liquid chromatography 530, or a current / voltage measuring unit.
  • the gaseous product collected by the collecting unit is measured by gas chromatography 510, and the liquid product is measured by liquid chromatography 530 and transmitted to the controller 200.
  • liquid and gas phases are analyzed by liquid chromatography and gas chromatography, respectively, to identify the tendency of the product at a specific application rate and to increase or decrease the application rate.
  • the continuous feedback process finds the application rate of the converter with the maximum desired product.
  • the current / voltage measuring unit 550 may measure the voltage or current of the carbon dioxide electrolyzers 310 and 350 and provide the same to the controller 200.
  • a feedback circuit for reading an input / output voltage and / or a current flowing into a DC / DC converter in real time and applying a required voltage to an electrolytic unit is operated.
  • the controller 200 determines whether a desired product is collected in an optimal state by using information about the product received through the sensor unit 500.
  • the controller 200 may include a memory 205, a DC / DC gain controller 250 for controlling the gain of the DC / DC converter, and an electrode effective area controller 210 for controlling the effective area of the electrode.
  • the memory 205 may store the voltage-current-specific product trend of the electrolytic unit 300 in the form of a look-up table in advance, and is basically applied to the carbon dioxide electrolyzer 310 by the current and voltage meter 550. Current and / or voltage can be measured to control the DC / DC gain to achieve the maximum efficiency of a particular carbon dioxide product.
  • the sensor unit 500 since the sensor unit 500 includes solar energy as the reduction energy source of carbon dioxide with the most optimized efficiency in real time, it is possible to precisely control the effective area.
  • the DC / DC gain control unit 250 controls the gain of the DC / DC converter to a voltage capable of maximally obtaining a desired product based on the sensing result of the sensor unit.
  • the DC / DC gain controller may control the gain of the MOSFET switch included in the DC / DC converter.
  • the gain of the DC / DC converter may be controlled by adjusting the rate of application of the applied PWM signal or by adjusting the frequency of the applied signal.
  • the electrode effective area controller 210 may control an effective area where the electrode and the electrolyte contact each other so as to obtain a desired product to the maximum.
  • the effective area controller 210 controls the number of carbon dioxide electrolyzers 310 that are operated among the plurality of DC-EC combination units 305 as illustrated in FIG. 1, or the carbon dioxide electrolysis connected as illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • By controlling the number of cells 351 of the unit 350 can be controlled the effective area in contact with the electrode and the electrolyte. This effective area can be controlled so that the power energy obtained from the solar cell can be utilized to produce the desired product.
  • the solar cell 710 is a Si-based solar cell
  • the solar cell 710 may be connected in series of three to four in consideration of the maximum power point voltage of about 1 to 1.1V.
  • the solar cell 710 may be connected in series of about 3 to 5 in consideration of the maximum power voltage of about 1 V.
  • the solar cell 710 is a quantum dot solar cell, it is preferable to connect 6 to 8 in series in consideration of the maximum power voltage of about 0.5V. Through this configuration, the voltage at the maximum power point is maintained between about 3.2 to 4V.
  • the maximum output that can be generated in the solar cell 710 may be a 100 W-30 MW scale. Therefore, the environment-friendly carbon dioxide reduction system according to the embodiment of the present invention can be utilized from the module scale to the solar power generation scale.
  • the process of creating a carbon dioxide atmosphere is a room temperature condition, and direct sunlight to the solar cell and the amount of incident light is 0 ⁇ 1000 mW cm -2 .
  • the total number of connected DC-EC combination units 305 is eight.
  • the concentration of the electrolyte is between 0.1 and 0.5 M, with the pressure of carbon dioxide applied to the system being 1 to 5 bar.
  • the area of the electrode of the cell 351 of the carbon dioxide electrolyzer 310 with respect to the light incident area of the solar cell 710 is limited to 0.4 to 10.
  • an aggregate in which an electrolytic cell and an converter having a total electrode area of 0.1 m 2 is connected to at least 4 and less than 100 may be used in parallel. Can be. This is to continuously maintain the economics and proper application rate of the system.
  • the solar cell 710 operates as in graph 1 of FIG. 4. Therefore, when enough sunlight is supplied, the solar cell 710 operates at the maximum power A.
  • the electrode effective area control unit 210 may control the number of the DC-EC combination unit 305 that is operated to minimize the difference between the power required for the carbon dioxide electrolyzer 310 and the maximum power of the solar cell 710. Can be.
  • the environmentally friendly carbon dioxide reduction system of the present invention can convert at least 90% of the energy generated in the solar cell into electrical energy suitable for electrolysis through a converter and at least 75% of the converted energy to a carbon dioxide reduction product At least 68% of the maximum electrical energy generated by the solar cell 710 may be converted into chemical energy.
  • an environment-friendly carbon dioxide reduction system includes an electrolytic unit 300, a control unit 200, a collecting unit 400, a sensor unit 500, and a solar cell 710. do.
  • the eco-friendly carbon dioxide reduction system of FIGS. 5 and 6 has the same configuration except that the control of the electrode effective area control unit 210 and the electrode effective area variable carbon dioxide electrolyzer 350 are included. For simplicity, the description of the same elements will be omitted.
  • the electrolytic unit 300 may include an electrode effective area variable carbon dioxide electrolyzer 310 and a DC / DC converter 330.
  • the electrode effective area variable carbon dioxide electrolyzer 310 is configured by stacking a plurality of cells 351-1, 351-2, and 351-3. In FIG. 6, three cells are stacked for convenience, but more cells may be stacked.
  • Each of the plurality of cells 351-1, 351-2, and 351-3 has the same structure as the cell 351 shown in FIG. 2.
  • Each of the cells 351-1, 351-2, and 351-3 may have the same area or may have different areas.
  • the plurality of cells 351-1, 351-2, and 351-3 may each have an area ratio of 1: 2: 4. If you take these different area ratios, you can control closer to the desired voltage.
  • the present invention after forming an electrolyzer based on a transition metal having high catalytic efficiency, it is possible to stably collect specific products with high efficiency and yield by connecting a solar cell and a converter, which is the best in the growing carbon dioxide conversion market.
  • the preemptive effect on the catalyst market, which is an important factor, and the reduction of current carbon dioxide can be achieved eco-friendly through alternative energy sources.
  • a copper anode-based carbon dioxide electrolyzer and a system connecting it with a converter and a solar cell are examples of environmentally-friendly solutions and high value-added innovations in the current situation in which carbon emission reduction is urgently required.
  • the system proposed in the present invention can be applied to various electrochemical systems such as fuel cells and batteries.

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Abstract

본 발명에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템은, 태양전지; 이산화탄소 전해기 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 DC-EC 조합부를 포함하는 전해부; 전해액과 상기 이산화탄소 전해기 내의 전극이 접촉하여 환원 반응이 일어나는 유효면적을 제어하는 전극 유효면적 제어부; 상기 DC/DC 컨버터의 이득을 제어하는 DC/DC 이득 제어부; 및 상기 이산화탄소 전해기에서 생성되는 생성물을 포집하는 포집부;를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 포집부에서 원하는 생성물이 최대가 되는 전압에서 가동되는 이산화탄소 전해기에 필요한 전력과 상기 태양전지의 최대 전력과의 차이가 최소화되도록 상기 유효면적을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

실시간 최적화 태양 에너지-이산화탄소 환원 시스템
본 발명은 친환경 이산화탄소 환원 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대표적인 온실 가스인 이산화탄소를 태양광을 이용해 최대 효율로 고 탄소수의 탄화수소로 변환시키는 이산화탄소 환원 시스템에 관한 것이다.
화석 연료의 남용과 지나친 의존으로 인한 현대 사회의 에너지 및 환경 문제를 타개하기 위해서 최근 대체 에너지 기술에 대한 관심이 매우 높아지고 있으며, 전세계적으로 대체 에너지 기술 개발이 매우 활발하게 이루어지고 있다.
이 중, 이산화탄소 환원을 통한 연료생산은 화석연료 사용으로 발생한 온실가스 농도를 직접적으로 낮추면서도 에너지 밀도가 높고 화석 연료에 필적하는 높은 탄소 수를 가지는 탄화수소를 생산할 수 있다는 점에서 고부가가치의 기술로 관심을 모으고 있다.
이러한 이산화탄소 환원 기술은 열 또는 전기 에너지를 사용하여 이산화탄소를 환원시켜 원하는 생성물을 얻게 되는데, 이산화탄소의 환원에 필요한 열 또는 전기 에너지를 얻기 위하여 석유 등의 다른 화석연료 에너지원을 사용한다면 또 다른 환경 문제를 발생시킬 가능성이 있다. 따라서, 이산화탄소 환원 기술을 보다 친환경적으로 발전시키기 위하여 신재생 에너지원을 이용하는 것이 바람직하다.
신재생 에너지원 중 가장 부상하고 있는 태양광을 에너지원으로 이산화탄소를 환원시키는 기술은 궁극적인 친환경 기술로 고부가가치의 탄화 수소 물질을 얻을 수 있는 기술이다.
하지만 태양전지는 특정 빛 세기에 대한 특정 전압과 전류만을 전해기에 인가할 수 있으나, 이산화탄소는 전해기에 인가되는 전압에 따라 생성물의 종류와 구성이 달라지기 때문에 태양전지와 전해기를 직접 연결 시 사용자가 원하는 생성물을 조절하여 얻기가 매우 어렵다.
특히, 이산화탄소는 반응 활성화를 위해 높은 에너지를 요구하며, 반응에 의한 생성물이 수소 및 다양한 탄화수소 종을 포함하므로 화학적 선택성이 낮다는 문제가 있다. 예컨대, 이산화탄소의 전기 화학적 전환을 통해 4개 이상의 탄소로 구성된 탄화수소를 생산하고자 할 경우, 20개 이상의 전자와 양성자가 관여해야 한다. 이 때, 같은 조건에서 (압력, 온도, 인가 전압) 일어나는 수소 발생 반응은 두 개의 전자와 양성자만을 요구한다는 점을 고려해 볼 때 이산화탄소 환원 반응은 태생적으로 기술적 난제를 지닌다.
또한 전기 분해 장치들에 인가되는 전기 에너지는 궁극적으로 대체 에너지원에서부터 제공이 되어야 하지만, 일정하게 제공할 수 있는 석유 에너지와 달리 태양 에너지와 같은 대체 에너지원들은 시각과 위치에 따라 큰 편차를 가지기 때문에 일정한 전기 에너지를 제공 해주지 못하여 이산화 탄소 환원 반응 시 특정 생성물을 극대화 하는 것에는 부적합하다.
본 발명은 태양광을 통하여 발생한 에너지를 이용해 이산화탄소를 환원하여 원하는 탄화 수소 유도체로 최대 효율로 변환시킬 수 있는 이산화탄소 환원 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템은, 태양전지; 이산화탄소 전해기 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 DC-EC 조합부를 포함하는 전해부; 전해액과 상기 이산화탄소 전해기 내의 전극이 접촉하여 환원 반응이 일어나는 유효면적을 제어하는 전극 유효면적 제어부; 상기 DC/DC 컨버터의 이득을 제어하는 DC/DC 이득 제어부; 및 상기 이산화탄소 전해기에서 생성되는 생성물을 포집하는 포집부;를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 포집부에서 원하는 생성물이 최대가 되는 전압에서 가동되는 이산화탄소 전해기에 필요한 전력과 상기 태양전지의 최대 전력과의 차이가 최소화되도록 상기 유효면적을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
이 경우, 상기 전해부는 복수 개의 DC-EC 조합부를 포함하며, 상기 복수 개의 DC-EC 조합부는 상기 태양전지에 병렬로 연결되어 있으며, 상기 전극 유효면적 제어부는 복수 개의 DC-EC 조합부 중 가동되는 DC-EC 조합부의 수를 제어하여 상기 유효면적을 제어할 수 있다.
또한, 상기 DC/DC 컨버터는 시비율을 가지는 PWM 신호로 제어되는 벅 컨버터이며, 상기 시비율은 0.6 ~ 0.9로 제어될 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 전해기는 적층된 복수의 셀을 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 적층된 복수의 셀 중 적어도 일부를 가동하여 상기 유효면적을 제어할 수 있다.
또한, 상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 이산화탄소 전해기에 실제 인가되는 전압 또는 전류를 측정하는 전류-전압 측정부를 더 포함하며, 상기 DC/DC 이득 제어부는 전류-전압 측정부에서 측정된 전압 또는 전류에 기초하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 메모리를 더 포함하며, 상기 메모리는 상기 이산화탄소 전해기에 인가되는 전압-전류 별 생성물 추이를 미리 룩업테이블의 형태로 저장하고, 상기 DC/DC 이득 제어부는 상기 룩업테이블에 기초하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.
또한, 상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 포집부에 포집된 기체 상태의 생성물을 측정하는 기체 크로마토그래피를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 기체 크로마토그래피에서 측정된 생성물의 농도에 기초하여 상기 유효면적을 제어할 수 있다.
또한, 상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 포집부에 포집된 액체 상태의 생성물을 측정하는 액체 크로마토그래피를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 액체 크로마토그래피에서 측정된 생성물의 농도에 기초하여 상기 유효면적을 제어할 수 있다.
또한, 상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 포집부에 포집된 기체 상태의 생성물을 측정하는 기체 크로마토그래피를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 기체 크로마토그래피에서 측정된 생성물의 농도에 기초하여 상기 유효면적을 제어할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 전해기는 순차적으로 적층된 기틀전극, 산화전극, 이온교환막 및 환원 전극을 포함하는 셀을 포함하며, 상기 기틀 전극은 상기 전해액이 순환하는 통로를 구비할 수 있다.
또한, 상기 산화 전극은 기판 및 상기 기판에 도포되는 나노 입자를 포함하며, 상기 나노 입자는 10 ~ 500 nm의 크기를 가지며, 상기 산화 전극은 상기 나노 입자가 녹아 있는 용액을 스프레이, 드랍 또는 스핀 코팅하여 생성되며, 상기 산화 전극 1cm2 당 10 mg을 넘지 않을 수 있다.
또한, 상기 전해액 순환에 에너지는 상기 태양전지에서 발생한 전류의 5% 미만이 되도록 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 촉매 효율이 높은 전이 금속을 기반으로 하여 전해기를 형성 후 태양전지와 컨버터를 간단하게 연결하여 특정 생성물을 최대 효율과 수득률로 안정적으로 모을 수 있으며, 성장하는 이산화탄소 전환 시장에 있어서 가장 중요한 요소인 촉매 시장에 대한 선점효과와 현재 이산화탄소 환원을 대체 에너지원을 통해 친환경적으로 이루어 낼 수 있다.
또한, 본 발명에서 구리 환원 극 기반의 이산화 탄소 전해기와 이를 컨버터, 태양전지와 연결한 시스템은 현재 탄소 배출 감축이 절실히 요구되는 현 상황에서 친환경적으로 이를 해결하고 고부가가치를 창출하여 혁신을 도모한 사례로 실용화 가능성이 높으며, 본 발명에서 제안하는 시스템은 연료전지 및 배터리 등 다양한 전기 화학 시스템에 적용이 가능할 것으로 예상된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 DC/DC 컨버터의 등가회로이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템의 블록도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 유효면적 가변 전극을 포함하는 이산화탄소 전해기를 나타낸 도면이다.
도 7은 종래 기술의 태양광을 이용한 전기 분해 장치의 블록도 및 등가 회로도이다.
도 8 및 도 9는 종래 기술의 태양광을 이용한 전기 분해 장치의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한, 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 설명하기에 앞서 도 7 내지 도 9를 이용하여 본 발명의 종래 기술의 문제점에 대하여 상세히 설명한다.
도 7(a)는 종래 기술의 태양 에너지-전기분해 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 7(b)는 종래 기술의 태양 에너지-전기분해 시스템의 등가회로도이다.
도 7(a) 및 도 7(b)에 따르면, 종래 기술의 태양 에너지-전기분해 시스템은 태양전지(610), DC/DC 컨버터(630) 및 전기분해장치(650)를 포함할 수 있다.
이 경우, 태양전지(610)에서 전력이 생산되면 DC/DC 컨버터(630)에서 통하여 전기 분해 시에 필요한 인가 전압(VEC)으로 변환한 후 전기분해장치(650)에서 상기 필요한 전압(VEC)을 전기분해장치(650)의 음극 및 양극에 인가하여 사용자가 원하는 물질을 얻게 된다.
단, 이러한 종래 기술의 태양 에너지-전기분해 시스템을 이용하여 이산화탄소를 환원하고자 하는 경우에는 도 8 및 도 9에 나타낸 바와 같은 문제점이 발생한다.
보다 구체적으로, 예를 들어, 전기 분해의 활용예로 가장 많이 언급되는 수소 생성을 위한 전기 분해의 경우에 인가 전압(VEC)과 관계없이 생성물이 일정하게 생성된다.
그러나, 이산화탄소의 전기분해의 경우에는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 인가되는 전압에 따라 물질의 총 생산 속도와 생성되는 물질의 종류, 생성되는 물질의 비율이 달라진다. 따라서, 원하는 물질, 예를 들어, 에틸렌(Ethylene)과 같은 탄화수소 계열의 물질을 효율적으로 생성하기 위해서는 기존의 전기분해 장치를 그대로 활용하기 어렵다.
또한, 도 9에 따르면, 태양전지에서 최대 효율(A")로 전력을 생산하여 전기분해장치(650)에서 원하는 물질을 획득할 수 있는 전압(B")으로 변환하여 인가하는 경우에 총생산속도가 현저하게 떨어지는 것을 알 수 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이산화탄소를 분해하여 원하는 물질을 최적화된 가장 효율적인 전압으로 구동하기 위한 친환경 이산화탄소 환원 시스템을 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템에 대하여 도 1 내지 도 3을 참조하여 상세히 설명한다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 전해부(300), 제어부(200), 포집부(400), 센서부(500) 및 태양전지(710)를 포함한다.
전해부(300)는 이산화탄소 전해기(310) 및 DC/DC 컨버터(330)를 각각 포함하는 복수의 DC-EC 조합부(305)를 포함하며, 이때, 복수의 DC-EC 조합부(305) (n개)가 병렬연결 되어 있어 밀폐 용기를 포함하는 포집부(400)에 최종적인 생성물들을 모두 모을 수 있도록 구성된다.
도 1을 참조하면 하나의 태양전지(710)에 복수의(예컨대, 8개) DC-EC 조합부(305)가 연결되어 있으며, 전극 유효면적 제어부(210)가 필요한 수의 이산화탄소 전해기(310)가 가동되도록 제어하여 이산화탄소를 환원한다.
보다 구체적으로, 도 2를 참조하면, 이산화탄소 전해기(310)는 도 5에 나타낸 바와 같은 셀(351)을 포함한다. 셀(351)은 순차적으로 적층된 기틀전극(352, 358), 산화전극(354), 이온교환막(356) 및 환원 전극(357)을 포함할 수 있다.
이 때, 산화전극(354)은 Ir, Mn, Co, Fe, Ru 등의 금속 기반의 산화물을 기반의 전극이며, 환원전극(357)은 Cu를 20~80% 정도의 조성을 유지하면서 Ti, Zr, Hf, Ni, Bi 등의 금속 원소를 섞어 만든 합금으로 한다. 그리고, 산화전극(354)과 환원전극(357) 사이에 이온교환막(356) 넣고 압착하여 막-전극 접합체를 형성한다. 그 후 산화전극(354)과 환원전극(357) 각각에 전해질 통로가 형성되어 있는 제 1 및 제 2 기틀전극(탄소 기반 전극)을 적층하여 기틀로 잡아 주어 이산화탄소 전해기(310)의 셀(351)을 형성한다.
이 때, 셀(351)의 1 cm2 면적당 발생 전류가 0.5-10 mA 정도에서 수소가 아닌 이산화탄소 환원 생성물 발생 효율이 최대가 될 수 있다. KHCO3 전해액에서 산화 촉매의 경우 약 1.2 ~ 1.4V (vs. RHE)의 범위에서, 환원 촉매의 경우 - 0.7 ~ -1.3V (vs.RHE)의 범위에서 면적 1 cm2에 0.5 ~ 10 mA의 전류가 발생하게 되며 이를 통해 약 이산화탄소 전해기가 1.9 ~ 2.7V의 전체 전압에서 이산화탄소 발생 효율이 최대가 될 수 있다.
바람직하게는 환원 전극(357)은, Cu 및 Bi 기반의 전극을 활용하며, 기판, 폼, 나노 입자 (10-500 nm), 전기 증착, 산화 후 재환원된 전극을 포함할 수 있다.
바람직하게는 산화 전극(354)은, Ir, Mn, Co, Ru, Fe 산화 전극의 경우 나노 입자 (10-500 nm), 폼, 전기 증착된 산화물을 포함할 수 있다.
한편, 산화 전극(354) 및 환원 전극(357)에서, 나노 입자를 기판 전극에 도포하는 경우 나노 입자가 녹아있는 용액을 스프레이, 드랍, 스핀 코팅 할 수 있으며 1 cm2의 면적당 10 mg을 넘지 않도록 한다.
전기분해는 셀(351)에 지속적으로 펌프를 통해 밀폐 용기 안에 있는 이산화탄소가 용해된 전해액을 순환시켜 수행된다. 전해액은 예컨대, KHCO3, K2CO3, KCl, NaHCO3, Na2CO3 및 Na2SO4 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이 때 전해액 순환에 필요한 에너지는 태양전지에서 발생한 전류의 5% 미만이 되도록 사용하는 것이 바람직하다. 이는, 전해액 순환에 에너지가 소비되는 경우에 그만큼 전체적인 시스템의 효율이 저감되기 때문이다.
한편, DC/DC 컨버터(330)는 태양전지(710)에서 생성된 입력전원의 전압(Vg, 도 3 참조)을 원하는 물질을 생성하는데 최적화된 출력전압(V0, 도 3 참조)으로 변환하여 셀(351)의 기틀전극에 인가한다. 이 때, DC/DC 컨버터(330)는 내부에 인덕터, 캐패시터와 같은 수동 소자와 MOSFET, 다이오드와 같은 반도체 소자를 이용하여 입력전압(Vg)와 출력전압(Vo)의 비율을 제어한다.
예를 들어, 도 3(a)를 참조하면, 도 3(a)의 DC/DC 컨버터(330)는 MOSFET의 스위칭 동작에 따라 입/출력 전압이 제어된다.
한편, 컨버터의 제어 방식이나 제어 변수는 DC/DC 컨버터의 종류에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 펄스 폭 변조 (Pulse-Width Modulation, PWM) 컨버터의 경우에는 고정된 스위칭 주기 대비 스위치를 켜는 시간을 의미하는 시비율(duty ratio)를 제어하며, 공진형 컨버터의 경우에는 주로 스위칭 주기 또는 스위칭 주파수를 변조함으로써 제어를 수행한다.
또한 제어 변수에 대한 입력 전압 Vg와 출력 전압 Vo의 비율 (=Vo/Vg) 함수는 컨버터의 토폴로지에 달라진다. 일반적으로 흔히 사용되는 토폴로지에는 도 3(b)와 도 3(c)가 있다. 도 3(b)는 벅 컨버터로 Vo/Vg가 항상 1보다 작거나 같은 반면, 도 3(c)은 부스트 컨버터로 Vo/Vg가 항상 1보다 크거나 같다.
한편, 도 3(d) 내지 도 3(f)의 DC/DC 컨버터는 벅 컨버터와 부스트 컨버터의 기능을 합친 벅-부스트 컨버터로서 Vo/Vg가 1보다 작을 수도 있고 클 수도 있다. 입/출력 전압이 넓은 범위로 변하는 응용에 적합하다.
또한, 벅-부스트 기능을 하는 컨버터 토폴로지로 기본 벅-부스트 컨버터(도 3(d)), 케스케이디드 벅 부스트 컨버터(Cascaded Buck-Boost Converter, 도 3(e)), SEPIC(Single-Ended Parallel-Inductor Converter, 도 3(f))를 이용할 수 있다. 이 때, DC/DC 컨버터(330)의 인덕턴스(도 3(d), eh 3(e)의 L1 또는 도 3(f)의 L2)는 DC/DC 컨버터(330)의 동작 모드에 따라 설계치를 변경할 수 있다.
동작 모드가 연속 도통 모드 (Continuous Conduction Mode, CCM)의 경우는 인덕턴스에 흐르는 전류가 스위칭 주기 내내 0 이상의 값을 유지하도록 설계한다. 이 때는 스위칭 동작에 따른 인덕터 전류의 맥동이 충분히 작도록 인덕턴스 값을 크게 설계한다. 반대로 동작 모드가 불연속 도통 모드 (Discontinuous Conduction Mode, DCM)의 경우는 인덕터의 전류가 0이 되는 구간이 존재한다. CCM에 비해서 인덕터 전류의 맥동이 커지지만 인덕턴스 값은 작게 설계할 수 있다.
한편, 공진형 컨버터의 경우 인덕턴스 값은 공진 주파수와 공진 캐패시터 값을 고려해 설계된다.
또한, 컨버터 내 다이오드 D1은 컨버터의 전도 손실 (conduction loss)을 줄이기 위해 동기 정류기(Synchronous Rectifier, SR)로 대체될 수 있다. 도 3(g)는 다이오드 대신 동기 정류기를 사용한 벅 컨버터의 예시적인 회로이다.
바람직하게는, DC/DC 컨버터(330)로서 벅 컨버터를 활용할 수 있다. 이 경우, 태양광의 세기 및 태양전지 대비 필요한 병렬 연결된 컨버터-전해기 개수와 무관하게, 약 0.6-0.9 수준의 시비율이 유지가 되어 컨버터 효율 감소가 최소화 될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템(700)의 포집부(400)는 외부 공기의 유입을 완전히 차단하고 이산화탄소의 환원으로 생성된 생성물들을 포집하여 저장한다. 생성된 환원물을 저장하는 포집부(400)는 외부 공기의 유입을 완전히 차단하는 밀폐 용기가 사용될 수 있다.
한편, 센서부(500)는 기체 크로마토그래피(510), 액체 크로마토그래피(530) 또는 전류/전압 측정부를 포함할 수 있다. 포집부에서 포집된 기체 상태의 생성물은 기체 크로마토그래피(510)을 통하여 측정되고, 액체 상태의 생성물은 엑체 크로마토그래피(530)을 통하여 측정되어 제어부(200)로 전송된다.
또한, 이산화탄소가 환원된 생성물들은 포집부(400)에 포집되며 각각 액체상, 기체 상들은 액체 크로마토그래피, 기체 크로마토그래피를 통해 분석하여 특정 시비율에서의 생성물의 경향성을 파악하고 시비율의 증감을 주며 지속적인 되먹임 과정을 통해 원하는 생성물이 최대가 되는 컨버터의 시비율을 찾아낸다.
한편, 전류/전압 측정부(550)는 이산화탄소 전해기(310, 350)의 전압 또는 전류를 측정하여, 제어부(200)에 제공할 수 있다. 도1과 같은 이산화탄소 환원 시스템의 구조를 통하여, DC/DC 컨버터로 들어오는 입/출력 전압 및/또는 전류를 실시간으로 읽어 전해부에 필요한 전압을 가할 수 있도록 하는 되먹임 회로가 작동하도록 한다.
제어부(200)는 센서부(500)를 통하여 수신된 생성물에 대한 정보를 이용하여 원하는 생성물이 최적의 상태로 포집되고 있는지를 파악한다. 제어부(200)는 메모리(205), DC/DC 컨버터의 이득을 제어하는 DC/DC 이득 제어부(250) 및 전극의 유효면적을 제어하는 전극 유효면적 제어부(210)를 포함할 수 있다.
이 경우, 메모리(205)는 전해부(300)의 전압-전류 별 생성물 추이를 미리 룩업테이블의 형태로 저장할 수 있으며, 기본적으로 전류, 전압 측정기(550)로 이산화탄소 전해기(310)에 인가되는 전류 및/또는 전압을 측정하여 DC/DC 이득을 제어하여 특정 이산화탄소 생성물의 최대 효율을 달성할 수 있도록 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 센서부(500)을 포함하기 때문에 실시간으로 가장 최적화된 효율로 태양 에너지를 이산화탄소의 환원 에너지원으로 사용할 수 있으며, 정밀하게 유효면적을 제어하는 것이 가능하다.
DC/DC 이득 제어부(250)는 센서부의 센싱 결과에 기초하여 원하는 생성물을 최대로 획득할 수 있는 전압으로 DC/DC 컨버터의 이득을 제어하며, 예컨대, DC/DC 컨버터가 포함하고 있는 MOSFET 스위치에 인가되는 PWM 신호의 시비율을 조정하거나, 또는 인가되는 신호의 주파수를 조정하여 DC/DC 컨버터의 이득을 제어할 수 있다.
전극 유효면적 제어부(210)는 원하는 생성물을 최대로 획득할 수 있도록 전극과 전해질이 접촉하는 유효면적을 제어할 수 있다. 유효면적 제어부(210)는 예컨대, 도 1과 같이 복수의 DC-EC 조합부(305) 중 가동되는 이산화탄소 전해기(310)의 수를 제어하거나, 또는 도 5 및 도 6과 같이 연결되는 이산화탄소 전해기(350)의 셀(351)의 개수를 제어하여 전극과 전해질이 접촉하는 유효면적을 제어할 수 있다. 이렇게 유효면적을 제어할 수 있기 때문에 태양전지에서 획득할 수 있는 전력 에너지를 원하는 생성물의 생성에 최대한 활용할 수 있게 된다.
종래 기술에서는 태양전지-이산화탄소 전해기를 직접 연결하거나, 또는 이산화탄소가 아닌 경우에 태양전지-DC/DC 컨버터-전해기를 연결하는 구성이 있는데, 이산화탄소의 경우에는 전해기에 인가되는 전압에 따라 다양한 물질이 생성될 수 있기 때문에 극도로 생성효율이 저감되게 된다. 하지만, 본 발명에서는 태양전지가 생성하는 에너지를 최대한 활용할 수 있도록 최적화된 유효면적을 가진 전극을 제공하여 이산화탄소의 전기분해 생성물 중 원하는 물질을 최대 효율로 생성할 수 있게 된다.
한편, 태양전지(710)가 Si 기반 태양전지의 경우 단일 접합 셀(single junction cell)의 최대 전력 지점 전압이 약 0.5~0.7V임을 감안하여 6~7개를 직렬 연결하는 것이 바람직하다. 또는, 태양전지(710)가 GaAs 태양전지의 경우 최대 전력 지점 전압이 약 1~1.1V임을 감안하여 3~4개를 직렬 연결하는 것이 바람직하다. 또는, 태양전지(710)가 페로브스카이트 태양전지의 경우 최대 전력 전압 약 1 V임을 감안하여 약 3~5개를 직렬 연결할 수 있다. 태양전지(710)가 퀀텀닷(quantum dot) 태양전지의 경우 최대 전력 전압이 약 0.5V임을 감안하여 6~8개를 직렬 연결하는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 통하여, 최대 전력 지점의 전압이 약 3.2~4V 사이를 유지하도록 한다.
이 때, 태양전지(710)에서 발생시킬 수 있는 최대 출력은 100 W - 30 MW 스케일이 될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 모듈 스케일에서 태양 발전 시설 스케일까지 모두 활용이 가능하다.
이하에서는 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템의 효과를 상세하게 설명한다.
도 4에 나타낸 그래프는 이산화탄소 분위기를 조성하는 과정이 상온 조건이며, 태양광을 태양전지에 직접 쪼여 주며 입사되는 광량은 0~1000 mW cm-2이다. 또한, 본 실시예에서 전체 연결된 DC-EC 조합부(305)의 수는 8개이다. 전해질의 농도는 0.1~0.5M 사이이며, 이때 시스템에 가해지는 이산화탄소의 압력은 1 ~ 5 bar이다.
이 경우, 태양전지(710) 광 입사 면적 대비 이산화탄소 전해기(310)의 셀(351)의 전극의 면적을 0.4에서 10으로 제한한다. 일례로 광입사 면적이 0.2 m2인 태양전지(710) 5 개를 직렬 연결 했을 때 셀의 전체 전극 면적이 0.1 m2인 전해기와 컨버터가 연결된 집합체를 4개 이상 100개 미만으로 병렬 연결하여 사용할 수 있다. 이는 시스템의 경제성과 적절한 시비율을 지속적으로 유지하기 위한 방안이다.
도 4를 참조하면, 태양전지(710)는 도 4의 ①번 그래프와 같이 동작하게 된다. 따라서, 태양광이 충분하게 공급되면, 최대 전력(A)에서 태양전지(710)가 동작하게 된다.
이 때, 이산화탄소 전해기(310)가 2개가 가동되었을 때는 ④번 그래프와 같이, 4개가 가동되었을 때는 ③번 그래프와 같이, 8개가 가동되었을 때에는 ②번 그래프와 같은 전력이 이산화탄소 전해기(310)의 구동에 필요한 전력이 된다. 즉, 가동되는 이산화탄소 전해기(310)의 수에 따라 필요한 전압-전력 관계의 곡선이 변화하게 된다. 이 경우, 가동되는 이산화탄소 전해기(310)의 수가 더 많은 경우에는 원하는 생성물을 획득하기 위한 전압 지점 부근에서 총 생산 속도가 더 급격하게 변하게 된다.
도 4에서는 가동되는 이산화탄소 전해기(310)가 4개인 경우에는, 원하는 생성물이 최대가 되는 전압(C)에서, 태양전지(710)의 최대 전력(A)과 가동되는 이산화탄소 전해기(310)에 필요한 전력(B)이 거의 일치한다. 따라서, 전극 유효면적 제어부(210)는 총 8개의 병렬 연결된 DC-EC 조합부(305)(ntot=8) 중에 4개의 장치만 가동하도록 제어한다.
그러나, 가동되는 이산화탄소 전해기(310)가 2개인 경우에는, 원하는 생성물이 최대가 되는 전압(C)에서, 가동되는 이산화탄소 전해기(310)에 필요한 전력(D)과 태양전지(710)의 최대 전력(A)의 차이가 가동되는 이산화탄소 전해기(310)가 4개인 경우에 비하여 더 크기 때문에, 전극 유효면적 제어부(210)가 DC-EC 조합부(305)(ntot=8) 중에 2개의 장치만 가동되도록 제어하는 경우에는 전체적으로 원하는 생성물을 획득하는 효율이 크게 떨어지게 된다.
즉, 전극 유효면적 제어부(210)는 가동되는 DC-EC 조합부(305)의 수를 가동되는 이산화탄소 전해기(310)에 필요한 전력과 태양전지(710)의 최대 전력의 차이가 최소화되도록 제어할 수 있다.
이러한 구성에서, 본 발명의 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 태양전지에서 생성된 에너지의 90% 이상을 컨버터를 통해 전해기에 적합한 전기 에너지로 변환하고 변환된 에너지의 75% 이상을 이산화탄소 환원물로 변환할 수 있고, 태양전지(710)에서 발생된 최대 전기 에너지의 68% 이상을 화학 에너지로 변환 시킬 수 있다.
이하에서는 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전해부(300)에 대하여 설명한다.
도 5 및 도 6에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 전해부(300), 제어부(200), 포집부(400), 센서부(500) 및 태양전지(710)를 포함한다.
도 1의 실시예와 다른 점은 복수 개의 DC-EC 조합부(305)를 병렬 연결하지 않고 도 6에 나타낸 바와 같이 전극 유효면적 가변 이산화탄소 전해기(350)를 포함할 수 있다. 도 5 및 도 6의 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 전극 유효면적 제어부(210)의 제어와 전극 유효면적 가변 이산화탄소 전해기(350)를 포함하는 것 외에는 동일한 구성이다. 설명의 간략화를 위하여 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략한다.
전해부(300)는 전극 유효면적 가변 이산화탄소 전해기(310) 및 DC/DC 컨버터(330)를 포함할 수 있다.
이 경우, 도 6을 참조하면, 전극 유효면적 가변 이산화탄소 전해기(310)는 복수의 셀(351-1, 351-2 및 351-3)을 적층하여 구성한다. 도 6에는 편의상 3개의 셀이 적층되어 있는 것으로 표시하였으나, 더 많은 셀을 적층하는 것도 가능하다.
복수의 셀(351-1, 351-2 및 351-3) 각각은 도 2에 나타낸 셀(351)과 동일한 구조를 가진다. 그리고, 복수의 셀(351-1, 351-2 및 351-3) 각각은 서로 동일한 면적을 가질 수도 있고, 서로 다른 면적을 가질 수도 있다. 예컨대, 복수의 셀(351-1, 351-2 및 351-3) 각각 1:2:4의 면적 비율로 구성될 수도 있다. 이렇게 서로 다른 면적 비율을 가져갈 경우에는 보다 원하는 전압에 가깝게 제어할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 촉매 효율이 높은 전이 금속을 기반으로 하여 전해기를 형성 후 태양전지와 컨버터를 연결하여 특정 생성물을 높은 효율과 수득률로 안정적으로 모을 수 있으며, 성장하는 이산화탄소 전환 시장에 있어서 가장 중요한 요소인 촉매 시장에 대한 선점효과와 현재 이산화탄소 환원을 대체 에너지원을 통해 친환경적으로 이루어 낼 수 있다.
또한, 본 발명에서 구리 환원극 기반의 이산화 탄소 전해기와 이를 컨버터, 태양전지와 연결한 시스템은 현재 탄소 배출 감축이 절실히 요구되는 현 상황에서 친환경적으로 이를 해결하고 고부가가치를 창출하여 혁신을 도모한 사례로 실용화 가능성이 높으며, 본 발명에서 제안하는 시스템은 연료전지 및 배터리 등 다양한 전기 화학 시스템에 적용이 가능하다.
한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 태양전지;
    이산화탄소 전해기 및 DC/DC 컨버터를 포함하는 DC-EC 조합부를 포함하는 전해부;
    전해액과 상기 이산화탄소 전해기 내의 전극이 접촉하여 환원 반응이 일어나는 유효면적을 제어하는 전극 유효면적 제어부;
    상기 DC/DC 컨버터의 이득을 제어하는 DC/DC 이득 제어부; 및
    상기 이산화탄소 전해기에서 생성되는 생성물을 포집하는 포집부;를 포함하며,
    상기 전극 유효면적 제어부는 상기 포집부에서 원하는 생성물이 최대가 되는 전압에서 가동되는 이산화탄소 전해기에 필요한 전력과 상기 태양전지의 최대 전력과의 차이가 최소화되도록 상기 유효면적을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해부는 복수 개의 DC-EC 조합부를 포함하며, 상기 복수 개의 DC-EC 조합부는 상기 태양전지에 병렬로 연결되어 있으며, 상기 전극 유효면적 제어부는 복수 개의 DC-EC 조합부 중 가동되는 DC-EC 조합부의 수를 제어하여 상기 유효면적을 제어하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 DC/DC 컨버터는 시비율을 가지는 PWM 신호로 제어되는 벅 컨버터이며, 상기 시비율은 0.6 ~ 0.9로 제어되는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 전해기는 적층된 복수의 셀을 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 적층된 복수의 셀 중 적어도 일부를 가동하여 상기 유효면적을 제어하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 이산화탄소 전해기에 실제 인가되는 전압 또는 전류를 측정하는 전류-전압 측정부를 더 포함하며, 상기 DC/DC 이득 제어부는 전류-전압 측정부에서 측정된 전압 또는 전류에 기초하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어하는
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 메모리를 더 포함하며, 상기 메모리는 상기 이산화탄소 전해기에 인가되는 전압-전류 별 생성물 추이를 미리 룩업테이블의 형태로 저장하고, 상기 DC/DC 이득 제어부는 상기 룩업테이블에 기초하여 상기 DC/DC 컨버터를 제어할 수 있다.
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 포집부에 포집된 기체 상태의 생성물을 측정하는 기체 크로마토그래피를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 기체 크로마토그래피에서 측정된 생성물의 농도에 기초하여 상기 유효면적을 제어하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 포집부에 포집된 액체 상태의 생성물을 측정하는 액체 크로마토그래피를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 액체 크로마토그래피에서 측정된 생성물의 농도에 기초하여 상기 유효면적을 제어하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 친환경 이산화탄소 환원 시스템은 상기 포집부에 포집된 기체 상태의 생성물을 측정하는 기체 크로마토그래피를 포함하며, 상기 전극 유효면적 제어부는 상기 기체 크로마토그래피에서 측정된 생성물의 농도에 기초하여 상기 유효면적을 제어하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 전해기는 순차적으로 적층된 기틀전극, 산화전극, 이온교환막 및 환원 전극을 포함하는 셀을 포함하며, 상기 기틀 전극은 상기 전해액이 순환하는 통로를 구비하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 산화 전극은 기판 및 상기 기판에 도포되는 나노 입자를 포함하며, 상기 나노 입자는 10 ~ 500 nm의 크기를 가지며, 상기 산화 전극은 상기 나노 입자가 녹아 있는 용액을 스프레이, 드랍 또는 스핀 코팅하여 생성되며, 상기 산화 전극 1cm2 당 10 mg을 넘지 않는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 전해액 순환에 에너지는 상기 태양전지에서 발생한 전류의 5% 미만이 되도록 사용하는,
    친환경 이산화탄소 환원 시스템.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020211904A1 (de) * 2019-04-17 2020-10-22 Sunfire Gmbh Solid oxide cell [soc]-betriebsverfahren
US11697882B2 (en) 2021-06-03 2023-07-11 Analog Devices, Inc. Electrolyzer system converter arrangement

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017048442A (ja) * 2015-09-04 2017-03-09 株式会社東芝 光電気化学反応装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017048442A (ja) * 2015-09-04 2017-03-09 株式会社東芝 光電気化学反応装置

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AA, SUHAILA SHAHNAZ ET AL.: "A Hybrid Power System Using Solid Oxide Fuel Cell , PV Arrays, Electrolyser & Ultra Capacitor", ADVANCES IN NATURAL AND APPLIED SCIENCES, vol. 11, no. 5, 1 May 2017 (2017-05-01), pages 86 - 93, XP055555637 *
CHANG, WOO JE ET AL.: "Design Principle and Loss Engineering for Photovoltaic-Electrolysis Cell System", ACS OMEGA, vol. 2, no. 3, 17 March 2017 (2017-03-17), pages 1009 - 1018, XP055555625 *
SINGH, MEENESHR. ET AL.: "Thermodynamic and Achievable Efficiencies for Solar-driven Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide to Transportation Fuels", PROCEEDINGS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES, vol. 112, no. 45, 2015, pages E6111 - E6118, XP055555624 *
WHITE, JAMES L. ET AL.: "Photons to Formate: Efficient Electrochemical Solar Energy Conversion via Reduction of Carbon Dioxide", JOURNAL OF C02 UTILIZATION, vol. 7, 2014, pages 1 - 5, XP055555634 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020211904A1 (de) * 2019-04-17 2020-10-22 Sunfire Gmbh Solid oxide cell [soc]-betriebsverfahren
US11697882B2 (en) 2021-06-03 2023-07-11 Analog Devices, Inc. Electrolyzer system converter arrangement

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