WO2020045945A1 - 이산화탄소를 이용한 수소 발생장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템 - Google Patents

이산화탄소를 이용한 수소 발생장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템 Download PDF

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hydrogen
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김창민
김정원
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울산과학기술원
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present technology relates to a hydrogen generator and a fuel cell system having the same, and more particularly, to a hydrogen generator using carbon dioxide and a fuel cell system having the same.
  • Carbon dioxide emissions by industry type are the highest in energy sources such as power plants, and carbon dioxide from cement, steel, and refining industries, including power generation, accounts for half of the world's production.
  • CO2 conversion / utilization can be classified into chemical conversion, biological conversion, and direct utilization, and the technical categories can be categorized into catalyst, electrochemical, bioprocess, light utilization, inorganic (carbonate), and polymer. Since carbon dioxide is generated in various industries and processes, and a single technology cannot achieve carbon dioxide reduction, various approaches for carbon dioxide reduction are required.
  • CCUS Carbon Capture & Storage
  • CCU CC & Utilization
  • Patent No. 10-1451630 describes a technique for producing hydrogen by electrochemically reducing carbon dioxide.
  • ballast water used as the ballast water. Since most of the ballast water is injected and discharged in the waters near the port where the cargo is loaded, the seawater and aquatic organisms injected into the ship travel long distances according to the ship's operating distance.
  • a ballast water treatment system (BWTS) is mandatory inside the ship to prevent ecosystem disturbances caused by these aquatic organisms.
  • Patent Publication No. 10-1466113 describes a high efficiency electrolysis ballast water treatment technology using carbon dioxide.
  • An object of the present technology is to provide a hydrogen generator for producing hydrogen from carbon dioxide, which is a greenhouse gas, and a fuel cell system having the same.
  • Another object of the present technology is to provide a hydrogen generator for producing hydrogen using renewable energy such as a solar cell and a fuel cell system having the same.
  • Still another object of the present technology is to provide a hydrogen generating apparatus capable of further dissolving carbon dioxide and continuing a hydrogen generating reaction, and a fuel cell system having the same.
  • Another object of the present technology is to provide a hydrogen generator for producing hydrogen and chlorine from carbon dioxide, a greenhouse gas, and a ballast water treatment system using the same.
  • an electrolyte accommodated in the reaction space a reduction electrode at least partially submerged in the electrolyte in the reaction space, and at least in the electrolyte in the reaction space
  • a power supply including a hydrogen generator including a portion of the anode submerged, and a cathode applying a direct current to the hydrogen generator and an anode electrically connected to the cathode and an anode electrically connected to the anode.
  • Direct current is applied to the hydrogen generator and carbon dioxide gas is introduced into the electrolyte, whereby hydrogen ions and bicarbonate ions are generated by reaction of water of the electrolyte and carbon dioxide gas, and electrons of the hydrogen ions and the cathode are reduced.
  • a hydrogen generator is provided, which combines to generate hydrogen gas.
  • a fuel cell system including a hydrogen generator and a fuel cell supplied with fuel as hydrogen generated in the hydrogen generator.
  • a ballast water supply unit for supplying the hydrogen generator and ballast water, a ballast water treatment unit for treating the ballast water with chlorine generated from the hydrogen generator It provides a complex ballast water treatment system comprising a ballast water treatment system including a ballast water discharge unit for discharging the chlorine-treated ballast water from the ballast water treatment unit.
  • a complex energy system including a fuel cell or a power unit using hydrogen generated in the hydrogen generator.
  • FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing a configuration of a hydrogen generator according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 2 is a schematic diagram schematically showing a configuration of a hydrogen generator according to another embodiment of the present technology.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of a hydrogen generator according to another embodiment of the present technology.
  • FIG. 4 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 5 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell system according to another exemplary embodiment of the present technology.
  • FIG. 6 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell system according to another embodiment of the present technology.
  • FIG. 7 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a complex ballast water treatment system according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 8 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a complex energy system according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 9 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a complex energy system according to another embodiment of the present technology.
  • the hydrogen generator 1100 includes a hydrogen generator 1100a and a power source 1200 that provides direct current electricity to the hydrogen generator 1100a.
  • the hydrogen generating device 1100 generates hydrogen gas by using carbon dioxide gas as electric raw material to generate hydrogen gas, thereby removing carbon dioxide which is a greenhouse gas.
  • the hydrogen generator 1100a includes at least a reaction vessel 1110 providing a reaction space 1111 therein, an electrolyte solution 1115 contained in the reaction space 1111, and an electrolyte solution 1115 in the reaction space 1111.
  • a cathode 1118 in which part is submerged is provided and an anode 158 in which at least part is submerged in the electrolyte solution 1115 in the reaction space 1111.
  • the hydrogen generator 1100a generates hydrogen gas using carbon dioxide as a raw material using direct current electricity supplied from the power source 1200.
  • the reaction vessel 1110 provides a reaction space 1111 in which an electrolyte solution 1115 is contained and a reduction electrode 1118 and an anode electrode 1158 are accommodated therein.
  • a first inlet 1112 and a first outlet 1113 are formed in communication with the reaction space 1111.
  • the first inlet 1112 is positioned below the reaction space 1111 so as to be below the water surface of the electrolyte solution 1115.
  • the first outlet 1113 is positioned above the reaction space 1111 to be above the water surface of the electrolyte 1115.
  • Carbon dioxide gas as a raw material is introduced into the reaction space 1111 through the first inlet 1112, and an electrolyte solution 1115 may also be introduced if necessary.
  • the generated hydrogen gas is discharged through the first discharge port 1113. In the reaction space 111, a carbon dioxide elution reaction occurs.
  • the electrolyte solution 1115 is contained in the reaction space 1111, and at least a portion of the reduction electrode 1118 and at least a portion of the oxide electrode 1158 are immersed in the electrolyte solution 1115.
  • the electrolyte solution 1115 may be an alkaline solution including potassium hydroxide (KOH) or sodium hydroxide (NaOH).
  • the electrolyte solution 1115 may be a solution containing chlorine ions (Cl ⁇ ) such as seawater or brine.
  • the electrolyte solution 1115 includes sodium cation (Na + ) and chlorine anion (Cl ⁇ ).
  • the cathode 1118 is at least partially submerged in the electrolyte solution 1115 in the reaction space 1111.
  • the reduction electrode 1118 is electrically connected to the cathode of the power source 1200 to receive electrons from the power source 1200.
  • the cathode 1118 may be carbon paper, carbon fiber, carbon felt, carbon cloth, metal foam, metal thin film, or a combination thereof, and a platinum catalyst may also be used.
  • a platinum catalyst in addition to the platinum catalyst, carbon-based catalysts, carbon-metal-based composite catalysts, perovskite oxide catalysts, and other catalysts that can generally be used as a hydrogen evolution catalyst.
  • a hydrogen evolution reaction occurs by a reduction reaction.
  • the anode 1158 is at least partially submerged in the electrolyte 1115 in the reaction space 1111.
  • the anode 1158 is electrically connected to the anode of the power source 1200 to supply electrons to the power source 1200.
  • the anode 1158 includes vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), aluminum (Al) or It is explained that zinc (Zn) is used.
  • the anode 1158 may be carbon paper, carbon fiber, carbon felt, carbon cloth, metal foam, metal thin film, or a combination thereof, and a platinum catalyst may also be used.
  • platinum catalysts in addition to platinum catalysts, carbon catalysts, carbon-metal complex catalysts, perovskite oxide catalysts, and other catalysts that can generally be used as combustion generating catalysts are also included.
  • the carbon dioxide (CO 2 ) supplied to the reaction space 1111 is hydrogen cation (H + ) and bicarbonate (HCO 3 ⁇ ) through spontaneous chemical reaction with water (H 2 O), the solvent of the electrolyte solution 1115. Is generated.
  • the reaction of [Scheme 1] acidifies the electrolyte solution.
  • the hydrogen cation (H + ) around the cathode 1118 receives electrons (e ⁇ ) from the cathode 1118 to generate hydrogen (H 2 ) gas.
  • the hydrogen evolution reaction occurring at the reduction electrode 1118 makes the electrolyte solution 1115 basic.
  • the generated hydrogen (H 2 ) gas is discharged to the outside through the first outlet 1113.
  • the electrolyte solution 1115 is an alkaline solution containing potassium hydroxide (KOH) or sodium hydroxide (NaOH)
  • KOH potassium hydroxide
  • NaOH sodium hydroxide
  • an oxidation reaction is performed at the anode 1158 as shown in [Scheme 6].
  • the hydrogen ions generated by the carbon dioxide eluted in the electrolyte 1115 at the time of discharge receives electrons from the reduction electrode 1118 to reduce the hydrogen gas As a result, it is discharged through the first outlet 1113 and the anode 1158 is changed into an oxide. Hydrogen gas discharged through the first outlet 1113 is supplied to the fuel cell 1400.
  • the hydrogen generator 1100a uses a favorable environment for the hydrogen evolution reaction by reducing the pH obtained through carbon dioxide dissolution, and continuous hydrogen generation causes a rise in pH and enables additional carbon dioxide dissolution.
  • a sodium chloride (NaCl) aqueous solution used as an electrolytic solution (1115) containing, potassium chloride (KCl) aqueous solution or instead of sodium chloride aqueous solution of calcium chloride (CaCl 2) solution-this embodiment, the chloride ion (Cl) A solution comprising can be used, in which case other carbonates are produced.
  • NaCl sodium chloride
  • KCl potassium chloride
  • CaCl 2 calcium chloride
  • the chlorine discharge unit 1114 discharges chlorine (Cl 2 ) or chlorine-based compound (HClO, etc.) generated by the anode 1110 to the outside of the hydrogen generator 1100, and separately stores the chlorine or chlorine-based compound in the storage unit. It can be stored or supplied directly to the ballast water treatment unit 2200 of the ballast water treatment system (2000).
  • Power source 1200 provides direct current electricity to hydrogen generator 1100a.
  • the positive electrode of the power source 1200 is electrically connected to the anode electrode 1158 of the hydrogen generator 1100a, and the negative electrode of the power source 1200 is electrically connected to the reduction electrode 1118 of the hydrogen generator 1100a.
  • any type of power source capable of providing DC electricity including renewable energy such as solar cells and wind power generation, may be used.
  • the hydrogen generator 1100b includes a reaction vessel 1110 providing a reaction space 1111 therein, an electrolyte solution 1115 contained in the reaction space 1111, and an electrolyte in the reaction space 1111.
  • a reduction electrode 1118 at least partially submerged in the solution 1115, an anode 158 at least partially submerged in the electrolyte solution 1115 in the reaction space 1111, a carbon dioxide processing unit 1120, and a carbon dioxide circulation supply unit ( 1130, and a connection pipe 1140 connecting the reaction space 1111 and the carbon dioxide treatment unit 1120. Since the reaction vessel 1110, the electrolyte solution 1115, the cathode 1118, and the anode 1158 are the same as those described in the embodiments illustrated in FIGS. 1 and 2, a detailed description thereof will be omitted.
  • the carbon dioxide processing unit 1120 includes an electrolyte solution 1115 that is the same aqueous solution as the electrolyte solution 1115 contained in the accommodation space 1121 and contained in the reaction space 1111.
  • the carbon dioxide processing unit 1120 includes a second inlet 1122 through which carbon dioxide is introduced into the accommodation space 1121, a communication port 1123 to which the connection pipe 1140 is connected, and an upper portion of the accommodation space 1121. 2 outlet 1124 is formed.
  • the second inlet 1122 is positioned above the communication port 1123 in the accommodation space 1121, and is located below the water surface of the second outlet 1124 and the electrolyte 1115.
  • Carbon dioxide gas which is used as a raw material in the hydrogen generation process, is introduced into the accommodation space 1121 through the second inlet 1122.
  • the electrolyte 1115 may also be supplied through the second inlet 1122 as needed.
  • the communication port 1123 is positioned below the second inlet 1122 in the accommodation space 1121, and the connection pipe 1140 is connected to the communication port 1123.
  • the accommodation space 1121 is in communication with the reaction space 1111 through the communication port 1123.
  • the second outlet 1124 is positioned above the water surface of the second inlet 1122 and the electrolyte 1115 in the accommodation space 1121. Carbon dioxide gas that has not been ionized because it is not dissolved in the electrolyte solution 1115 in the accommodation space 1121 through the second outlet 1124 is discharged to the outside. The carbon dioxide gas discharged through the second outlet 1124 is supplied to the second inlet 1122 through the carbon dioxide circulation supply unit 1130.
  • the carbon dioxide circulation supply unit 1130 circulates the carbon dioxide gas discharged through the second discharge port 1124 to the second inlet port 1122 and supplies it again.
  • connection pipe 1140 connects the first inlet 1112 of the reaction space 1111 and the communication port 1123 of the accommodation space 1121.
  • the reaction space 1111 and the accommodation space 1121 communicate with each other through a connection passage 1141 formed in the connection pipe 1140.
  • Carbon dioxide gas that is not ionized because it is not dissolved in the electrolyte solution 1115 of carbon dioxide introduced into the receiving space 1121 of the carbon dioxide processing unit 1120 through the second inlet 1122 is not moved to the reaction space 1111 and rises.
  • the carbon dioxide gas, which is collected in the space above the water surface of the electrolyte solution 1115 in the accommodation space 1121, is discharged through the second outlet 1124 and discharged through the second outlet 1124, is discharged by the carbon dioxide circulation supply unit 1130. 2 is supplied to the receiving space 1121 through the inlet 1122 and recycled.
  • the fuel cell system 1000 includes a hydrogen generation and carbon dioxide removal device 1100 for generating hydrogen (H 2 ) while removing carbon dioxide (CO 2 ), and hydrogen-containing.
  • a reformer 1300 for producing hydrogen-rich reformed gas from fuel and additionally generating carbon dioxide gas, and a fuel cell 1400 for generating electricity by receiving hydrogen as a fuel from the hydrogen generator 1100 and the reformer 1300. ).
  • the reformer 1300 produces reformed gas rich in hydrogen from the hydrogen containing fuel and additionally generates carbon dioxide gas.
  • the reformed gas produced in the reformer 1300 is supplied to the fuel cell 1400, and the carbon dioxide gas additionally generated in the reformer 1300 is supplied to the hydrogen generators 1100a and 1100b.
  • the reformer 1300 will be described as a methane-steam reformer that produces hydrogen (H 2 ) by reforming reaction of methane (CH 4 ) and steam (H 2 O).
  • Methane-steam reformers are a significant part of the hydrogen production process because of the low cost and high volume production advantages.
  • the following Reaction Scheme 11 relates to the reforming reaction of the methane-steam reformer 1300.
  • carbon monoxide (CO) and hydrogen are produced by the chemical reaction of methane and water vapor, and hydrogen may be finally produced by the chemical reaction of carbon monoxide and water vapor.
  • the methane-steam reformer 1300 has many advantages as described above, but as can be seen in [Reaction Scheme 11], the steam must be supplied from the outside for the operation of the process, and global warming as a by-product of hydrogen production.
  • carbon dioxide which is the main cause of environmental problems, must be generated.
  • the carbon dioxide generated from the methane-steam reformer is discharged into the atmosphere or transferred to a separate carbon dioxide collection and storage process, but instead is transferred to the hydrogen generator 1100a as a raw material for hydrogen generation.
  • the problem of carbon dioxide generation which is a necessary evil in operation, can be solved. Since the methane-steam reformer is a known technique, a detailed description thereof is omitted here.
  • the fuel cell 1400 generates water by generating water by a chemical reaction between hydrogen and oxygen.
  • the fuel cell 1400 receives hydrogen generated from the hydrogen generators 1100a and 1100b and hydrogen produced from the reformer 1300 as fuel.
  • the hydrogen generators 1100a and 1100b produce and store hydrogen based on carbon dioxide generated from the reformer, and the fuel cell 1400 supplies the hydrogen produced in the reformer.
  • the fuel cell system 1000 so that the hydrogen produced by the hydrogen generator 1100a stored during the day is supplied to the fuel cell 1400 to produce electricity. ), The overall efficiency of the fuel cell system 1000 can be improved.
  • the fuel cell system 1000 illustrated in FIG. 4 is for a case where the fuel cell 1400 is a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) using hydrogen as a fuel, but the present technology is limited thereto.
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the fuel cell system 2000 includes hydrogen generators 1100a and 1100b, a power source 1200, a reformer 1300, and an SOFC 2400.
  • Hydrogen, hydrocarbons and carbon monoxide discharged to the reformer 1300 are supplied as fuel to the SOFC 2400, and the SOFC 2400 discharges carbon dioxide as a product.
  • Carbon dioxide discharged to the SOFC 2400 is supplied to the hydrogen generators 1100a and 1100b. That is, the hydrogen generators 1100a and 1100b produce hydrogen while receiving and removing carbon dioxide generated from the reformer 1300 and the SOFC 2400, and supply the hydrogen to the fuel of the SOFC 2400.
  • the rest of the configuration is the same as the embodiment shown in Figure 4, so a detailed description thereof will be omitted.
  • the fuel cell system 3000 includes hydrogen generators 1100a and 1100b, a power supply 1200, and an SOFC 2400.
  • the SOFC 2400 receives hydrocarbons as fuel from the outside and discharges carbon dioxide as a product. Carbon dioxide discharged to the SOFC 2400 is supplied to the hydrogen generators 1100a and 1100b. That is, the hydrogen generators 1100a and 1100b produce hydrogen while supplying and removing carbon dioxide generated from the SOFC 2400 and supply the hydrogen to the fuel of the SOFC 2400.
  • the rest of the configuration is the same as the embodiment shown in Figure 5, so a detailed description thereof will be omitted.
  • FIG. 7 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a combined ballast water treatment system combining a hydrogen generator 1100 and a ballast water treatment system 2000 according to an exemplary embodiment of the present technology.
  • the ballast water treatment system 2000 treats ballast water using chlorine discharged from the hydrogen generator 1100.
  • the ballast water treatment system 2000 may include a ballast water supply unit 2100 for supplying ballast water, a ballast water processor 2200 for treating the ballast water by receiving chlorine generated from the hydrogen generator 1100, and the ballast water processor.
  • HClO (aq) is hypochlorous acid and shows excellent bactericidal activity.
  • a complex energy system includes a hydrogen generator 1100 generating hydrogen (H 2 ) and chlorine (Cl 2 ) while removing carbon dioxide (CO 2 ), and generating hydrogen.
  • the power unit 4400 generates hydrogen by directly burning hydrogen, such as gasoline of an internal combustion engine.
  • the power unit 4400 may receive hydrogen generated from the hydrogen generator 1100 and / or hydrogen produced from the reformer 1300 as fuel.
  • the complex energy system according to another embodiment of the present disclosure further includes a reformer 1300 for producing hydrogen-rich reformed gas from a hydrogen-containing fuel and generating carbon dioxide as a by-product, wherein the reformer 1300 The carbon dioxide generated from) may be supplied to the hydrogen generator 1100, and the reformed gas may be supplied to the fuel cell 1400 or the power unit 4400.
  • the reformer 1300 produces reformed gas rich in hydrogen from the hydrogen containing fuel and additionally generates carbon dioxide gas.
  • the reformed gas produced by the reformer 1300 is supplied to the fuel cell 1400 or the power unit 4400, and the carbon dioxide gas additionally generated by the reformer 1300 is supplied to the hydrogen generator 1100. Since the reformer 1300 is the same as described above, a detailed description thereof will be omitted herein.
  • the complex energy system supplies hydrogen generated from the hydrogen generator 1100 to the fuel cell 1400 or the power unit 4400, and supplies chlorine to the ballast water treatment system 2000.
  • Carbon dioxide discharged from the battery 1400 or the power unit 4400 is supplied to the hydrogen generator 1100.
  • hydrogen, hydrocarbons and carbon monoxide discharged from the reformer 1300 are supplied as fuel to the fuel cell 1400 or the power unit 4400.
  • the hydrogen generator of the present technology generates carbon by using carbon dioxide gas as a raw material and renewable energy such as solar cells, the hydrogen generator can be efficiently applied to a fuel cell system with the removal of carbon dioxide.
  • an electrolyte containing chlorine ions such as an aqueous sodium chloride solution
  • chlorine is generated, which can be used in a ballast water treatment system of a ship.
  • by further combining the fuel cell, power unit and / or reformer using hydrogen it is possible to construct an environmentally friendly complex energy system that can continuously remove carbon dioxide.
  • carbon dioxide generated during the operation of the ship can be continuously removed, and chlorine generated can be used in the ballast water treatment system of the ship, and the generated hydrogen is used as a fuel cell or a power source.

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Abstract

본 기술에 의하면, 반응 공간과, 상기 반응 공간에 수용되고 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액과, 상기 반응 공간에서 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 잠기는 환원전극과, 상기 반응 공간에서 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 잠기는 산화전극을 구비하는 수소 발생기; 및 상기 수소 발생기에 직류 전기를 인가하고 상기 환원전극과 전기적으로 연결되는 음극과 상기 산화전극과 전기적으로 연결되는 양극을 구비하는 전원을 포함하며, 상기 전원에 의해 상기 수소 발생기에 직류 전기가 인가되고 이산화탄소 기체가 상기 전해질 수용액으로 유입되어서, 상기 전해질 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 환원전극에서는 상기 수소이온과 상기 환원전극의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하고, 상기 산화전극에서는 상기 염소 음이온에서 전자가 분리되어 염소가 발생하는 염소발생반응이 일어나는 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치가 제공된다.

Description

이산화탄소를 이용한 수소 발생장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템
본 기술은 수소 발생장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 이용하는 수소 발생장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
최근 산업화와 더불어 온실가스의 배출이 지속적으로 증가하고 있으며, 온실가스 중 이산화탄소가 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 산업 유형별 이산화탄소 배출량은 발전소 등 에너지 공급원에서 가장 많고, 발전을 포함한 시멘트/철강/정제 산업 등에서 발생되는 이산화탄소가 전 세계 발생량의 절반을 차지하고 있다. 이산화탄소 전환/활용 분야는 크게 화학적 전환, 생물학적 전환, 직접 활용으로 구분할 수 있으며, 기술적 범주로는 촉매, 전기화학, 바이오공정, 광활용, 무기(탄산)화, 폴리머 등으로 구분지을 수 있다. 이산화탄소는 다양한 산업 및 공정에서 발생되고, 하나의 기술로 이산화탄소 저감을 달성할 수 없기 때문에 이산화탄소 저감을 위한 다양한 접근 방식이 필요하다.
현재 미국 에너지성 DOE(Department Of Energy)는 이산화탄소를 저감하기 위한 기술로 CCS(Carbon Capture & Storage)와 CCU (CC & Utilization)이 복합된 CCUS 기술에 관심을 두고 다각적 기술 개발을 추진 중이다. CCUS 기술은 효과적인 온실가스 감축 방안으로 인정받고 있으나, 고 투자 비용, 유해 포집제의 대기 방출 가능성, 낮은 기술 성숙도의 문제에 직면하고 있다. 또한, 에너지 및 기후 정책적 관점에서 CCUS는 온실가스 배출량을 실질적으로 감축하는 수단을 제공하지만 기술의 실현에 는 보완 사항이 많다. 따라서, 보다 효율적으로 이산화탄소 포집, 저장 및 활용하는 새로운 개념의 한계돌파형(breakthrough) 기술 개발이 요구되고 있다.
본 기술의 기술분야와 관련된 선행 특허문헌으로서, 등록특허공보 제10-1451630호에는 이산화탄소를 전기화학적으로 환원하여 수소를 생산하는 기술이 기재되어 있다.
한편, 선박은 항해의 안정성을 유지하기 위해 운행 중 선체의 평형을 맞추고 무게 중심을 낮춘다. 대부분의 경우 선박의 평형을 맞추기 위한 물질로 주입 및 배출이 용이한 물을 사용하고 있다. 이러한 선체의 평형물질로 사용되는 물을 평형수(ballast water)라고 한다. 평형수의 주입과 배출은 대부분 화물이 선적되는 항만 부근 해역에서 이루어지게 되므로, 선박에 주입된 해수 및 수중생물은 선박의 운항거리에 따라 장거리를 이동하게 된다. 이러한 수중생물에 의해 발생하는 생태계 교란을 차단하기 위해 선박 내부에는 평형수처리 시스템(BWTS, ballast water treatment system)이 의무적으로 탑재되어 있다.
이와 관련된 선행 특허문헌으로서, 등록특허공보 제10-1466113호에는 이산화탄소를 이용한 고효율 전기분해 선박평형수 처리 기술이 기재되어 있다.
본 기술의 목적은 온실 가스인 이산화탄소를 원료로 수소를 생산하는 수소 발생장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 기술의 다른 목적은 태양전지와 같은 신재생에너지를 이용하여 수소를 생산하는 수소 발생장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다..
본 기술의 또 다른 목적은 이산화탄소의 추가적인 용해가 가능하여 수소발생반응을 지속할 수 있는 수소 발생 장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 기술의 또 다른 목적은 온실 가스인 이산화탄소를 원료로 수소와 염소를 생산하는 수소 발생장치 및 이를 이용한 평형수 처리 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 일 측면에 따르면, 반응 공간에 수용되는 전해질과, 상기 반응 공간에서 상기 전해질에 적어도 일부가 잠기는 환원전극과, 상기 반응 공간에서 상기 전해질에 적어도 일부가 잠기는 산화전극을 포함하는 수소 발생기 및 상기 수소 발생기에 직류 전기를 인가하고 상기 환원전극과 전기적으로 연결되는 음극과 상기 산화전극과 전기적으로 연결하는 양극을 포함하는 전원을 포함하며, 상기 전원에 의해 상기 수소 발생기에 직류 전기가 인가되고 이산화탄소 기체가 상기 전해질로 유입되어서, 상기 전해질의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 수소이온과 상기 환원전극의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하는, 수소 발생장치가 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 다른 측면에 따르면, 상기 수소 발생장치 및 상기 수소 발생장치에서 발생된 수소를 연료로 공급받는 연료전지를 포함하는, 연료전지 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 다른 측면에 따르면, 상기 수소 발생장치 및 평형수를 공급하는 평형수 공급부, 상기 수소 발생장치에서 발생한 염소로 상기 평형수를 처리하는 평형수 처리부, 상기 평형수 처리부에서 염소 처리된 평형수를 배출하는 평형수 배출부를 포함하는 평형수 처리 시스템을 포함하는, 복합 평형수 처리 시스템을 제공한다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 다른 측면에 따르면, 상기 수소 발생장치에서 발생하는 수소를 사용하는 연료전지 또는 동력장치를 포함하는, 복합 에너지 시스템을 제공한다.
본 기술에 의하면 앞서서 기재한 본 기술의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 이산화탄소 가스를 원료로 하고 태양전지와 같은 신재생에너지를 이용하여 수소를 발생시키므로, 이산화탄소의 제거와 함께 연료전지 시스템에 효율적으로 적용될 수 있다. 또한, 전해질 용액으로서 염화나트륨 수용액과 같은 염소 이온을 포함하는 전해질을 사용하는 경우, 염소가 발생하며, 이를 선박의 평형수 처리 시스템에 사용할 수 있다. 또한, 수소를 사용하는 연료전지, 동력장치 및/또는 개질기를 추가적으로 결합함으로써, 이산화탄소를 지속적으로 제거할 수 있는 친환경적인 복합 에너지 시스템을 구성할 수 있다.
도 1은 본 기술의 일 실시예에 따른 수소 발생장치의 구성을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 본 기술의 다른 일 실시예에 따른 수소 발생장치의 구성을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 3은 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따른 수소 발생장치의 구성을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 4는 본 기술의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 본 기술의 다른 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 6은 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 7은 본 기술의 일 실시예에 따른 복합 평형수 처리 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 8는 본 기술의 일 실시예에 따른 복합 에너지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 9는 본 기술의 다른 일 실시예에 따른 복합 에너지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 기술의 실시예의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.
도 1 및 2에는 본 기술의 일 실시예에 따른 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 1 및 2를 참조하면, 수소 발생장치(1100)는 수소 발생기(1100a)와, 수소 발생기(1100a)로 직류 전기를 제공하는 전원(1200)을 구비한다. 수소 발생장치(1100)는 이산화탄소 가스를 원료로 전기에너지를 이용하여 수소 가스를 발생시킴으로써, 온실가스인 이산화탄소를 제거하면서 수소를 생산하게 된다.
수소 발생기(1100a)는 내부에 반응 공간(1111)을 제공하는 반응 용기(1110)와, 반응 공간(1111)에 담긴 전해질 용액(1115)과, 반응 공간(1111)에서 전해질 용액(1115)에 적어도 일부가 잠기는 환원전극(cathode)(1118)과, 반응 공간(1111)에서 전해질 용액(1115)에 적어도 일부가 잠기는 산화전극(anode)(1158)을 구비한다. 수소 발생기(1100a)는 전원(1200)으로부터 공급되는 직류 전기를 이용하여 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시킨다.
반응 용기(1110)는 내부에 전해질 용액(1115)이 담기고 환원전극(1118)과 산화전극(1158)이 수용되는 반응 공간(1111)을 제공한다. 반응 용기(1110)에는 반응 공간(1111)과 연통되는 제1 유입구(1112)와 제1 배출구(1113)가 형성된다.
제1 유입구(1112)는 전해질 용액(1115)의 수면보다 아래에 위치하도록 반응 공간(1111)의 하부에 위치한다. 제1 배출구(1113)는 전해질(1115)의 수면보다 위에 위치하도록 반응 공간(1111)의 상부에 위치한다. 제1 유입구(1112)를 통해 원료인 이산화탄소 가스가 반응 공간(1111)으로 유입되는데, 필요 시 전해질 용액(1115)도 유입될 수 있다. 제1 배출구(1113)을 통해서는 발생한 수소 가스가 배출된다. 반응 공간(111)에서는 이산화탄소 용리 반응이 일어난다.
전해질 용액(1115)은 반응 공간(1111)에 담기며, 전해질 용액(1115)에 환원전극(1118)의 적어도 일부와 산화전극(1158)의 적어도 일부가 잠긴다. 전해질 용액(1115)은 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨(NaOH)를 포함하는 알칼리성 용액일 수도 있으며, 이와 달리 바닷물이나 소금물과 같이 염소 이온(Cl-)을 포함하는 용액일 수도 있다. 이 경우 전해질 용액(1115)은 나트륨 양이온(Na+)과 염소 음이온(Cl-)을 포함하게 된다.
환원전극(1118)은 반응 공간(1111)에서 전해질 용액(1115)에 적어도 일부가 잠긴다. 환원전극(1118)는 전원(1200)의 음극과 전기적으로 연결되어서 전원(1200)으로부터 전자를 공급받는다. 환원전극(1118)은 탄소 페이퍼, 탄소 섬유, 탄소 펠트, 탄소 천, 금속 폼, 금속박막, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 백금 촉매도 사용될 수 있다. 촉매의 경우, 백금 촉매 외에 탄소 계열 촉매, 탄소-금속 계열 복합 촉매, 페로브스카이트 산화물 촉매 등 일반적으로 수소발생반응 촉매로 사용될 수 있는 다른 모든 촉매도 포함한다. 환원전극(1118)에서는 환원 반응에 의한 수소발생반응(HER; Hydrogen Evolution Reaction)이 일어나게 된다.
산화전극(1158)은 반응 공간(1111)에서 전해질(1115)에 적어도 일부가 잠긴다. 산화전극(1158)은 전원(1200)의 양극과 전기적으로 연결되어서 전원(1200)으로 전자를 공급한다. 본 실시예에서 산화전극(1158)은 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)이 사용되는 것으로 설명한다. 또한, 추가적으로 산화전극(1158)은 탄소 페이퍼, 탄소 섬유, 탄소 펠트, 탄소 천, 금속 폼, 금속박막, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 백금 촉매도 사용될 수 있다. 촉매의 경우, 백금 촉매 외에 탄소 계열 촉매, 탄소-금속 계열 복합 촉매, 페로브스카이트 산화물 촉매 등 일반적으로 연소발생반응 촉매로 사용될 수 있는 다른 모든 촉매도 포함한다.
이제, 수소 발생기(1100a)에서 이산화탄소가 제거되면서 수소가 발생되는 과정을 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 유입구(1112)를 통해 염화나트륨 수용액인 전해질 용액(1115)으로 이산화탄소 가스가 주입되며, 반응 공간(1111)에서는 다음 [반응식 1]과 같은 이산화탄소의 화학적 용리 반응이 이루어진다.
[반응식 1]
H2O(l) + CO2(g) → H+(aq) + HCO3 -(aq)
즉, 반응 공간(1111)으로 공급된 이산화탄소(CO2)가 전해질 용액(1115)의 용매인 물(H2O)과 자발적인 화학반응을 통해 수소 양이온(H+)과 중탄산염(HCO3 -)이 생성된다. [반응식 1]의 반응은 전해질 용액은 산성화 시킨다.
또한, 환원전극(1118)에서는 다음 [반응식 2]와 같은 전기적 반응이 이루이루어진다.
[반응식 2]
2H+(aq) + 2e- → H2(g) (E0 = 0.00 V vs. SHE)
즉, 환원전극(1118)의 주변에서 수소 양이온(H+)은 환원전극(1118)로부터 전자(e-)를 받아서 수소(H2) 기체가 발생하게 된다. 환원전극(1118)에서 일어나는 수소발생반응은 전해질 용액(1115)을 염기성화 시킨다. 발생된 수소(H2) 기체는 제1 배출구(1113)를 통해서 외부로 배출된다.
아울러, 환원전극(1118)의 주변에서는 다음 [반응식 3]와 같은 복합 수소발생 반응이 이루어진다.
[반응식 3]
2H2O(l) + 2CO2(g) + 2e- → H2(g) + 2HCO3 -(aq)
상기 전해질 용액(1115)이 수산화칼륨(KOH) 또는 수산화나트륨 (NaOH)를 포함하는 알칼리성 용액인 경우, 산화전극(1158)에서는 다음과 같은 산화 반응이 이루어진다.
산화전극(1158)이 아연(Zn)인 경우에 산화전극(1158)에서는 다음 [반응식 4]과 같은 산화 반응이 이루어진다.
[반응식 4]
Zn + 4OH- → Zn4 2- + 2e- (E0 = -1.25 V)
Zn(OH)4 2- → H2O + 2OH-
결국, 산화전극(1158)이 아연(Zn)인 경우에 전체 반응식은 다음 [반응식 5]과 같다.
[반응식 5]
Zn + 2CO2 + 2H2O + 2OH- → 2HCO3 -(aq) + H2(g) (E0 = 1.25 V)
만일, 산화전극(1158)이 알루미늄(Al)인 경우에 산화전극(1158)에서는 다음 [반응식 6]과 같은 산화 반응이 이루어진다.
[반응식 6]
Al + 3OH- → AL(OH)3 + 3e- (E0 = -2.31 V)
결국, 산화전극(1158)이 알루미늄(Al)인 경우에 이루어지는 전체반응식은 다음 [반응식 7]와 같다.
[반응식 7]
2Al + 6CO2 + 6H2O + 6OH- → 2Al(OH)3 + 6HCO3 -(aq) + 3H2(g) (E0 =2.31 V)
결과적으로, [반응식 5]과 [반응식 7]를 통해 알 수 있는 바와 같이, 방전 시 전해질(1115)에서 용리된 이산화탄소에 의해 생성된 수소 이온이 환원전극(1118)로부터 전자를 받아서 수소 기체로 환원되어서, 제1 배출구(1113)를 통해 배출되고, 산화전극(1158)는 산화물의 형태로 변하게 된다. 제1 배출구(1113)를 통해 배출된 수소 기체는 연료전지(1400)로 공급된다. 수소 발생기(1100a)는 이산화탄소 용해를 통해 얻어지는 pH 감소로 수소 발생반응에 유리한 환경을 이용하며, 지속적인 수소발생은 pH의 상승을 일으키게 되고 추가적인 이산화탄소 용해를 가능하게 한다.
한편, 전해질 용액으로 염소 이온(Cl-)을 포함하는 용액을 사용하는 경우, 산화전극(1158)에서는 산화 반응에 의한 염소발생반응(CER; Chlorine Evolution Reaction)이 일어나게 된다.
그리고, 산화전극(1158)에서는 다음 [화학식 8]와 같은 염소발생반응이 이루어진다.
[반응식 8]
2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e- (E0 = 1.25 V vs. SHE)
결국, 최종 반응식은 다음 [화학식 9] 및 [화학식 10]과 같다.
[반응식 9]
2NaCl(aq) + 2H2O(l) + 2CO2(g) → 2NaHCO3(aq) + 2H+(aq) + 2Cl-(aq)
[반응식 10]
2H+(aq) + 2Cl-(aq) → H2(g) + Cl2(g)
[반응식 9]와 [반응식 10]으로부터 알 수 있는 바와 같이, 반응 후 수소 이온(H+)이 사라지게 되므로, 전해질 용액(1115)의 pH가 증가하여 염기성화됨으로써, 제1 유입구(1112)를 통해 유입되는 이산화탄소 가스가 계속해서 용해될 수 있다. 초기에 염화나트륨(NaCl) 수용액이었던 전해질 용액(1115)은 반응이 계속 진행되면서 점점 탄산수소나트륨(NaHCO3) 수용액으로 변하게 된다.
본 실시예에서는 염소 이온(Cl-)을 포함하는 전해질 용액(1115)으로 염화나트륨(NaCl) 수용액이 사용되는 것으로 설명하였으나, 염화나트륨 수용액 대신 염화칼륨(KCl) 수용액이나 염화칼슘(CaCl2) 수용액 등 다른 양이온을 포함하는 용액이 사용될 수 있으며, 이 경우 이에 대응하는 다른 탄산염이 생성된다.
염소 배출부(1114)는 상기 산화전극(1158) 발생하는 염소(Cl2) 또는 염소계 화합물(HClO 등)을 수소 발생장치(1100)의 외부로 배출하며, 별도로 상기 염소 또는 염소계 화합물을 저장부에 보관하거나 평형수 처리 시스템(2000)의 평형수 처리부(2200)로 상기 염소 또는 염소계 화합물을 직접 공급할 수 있도록 한다.
전원(1200)은 수소 발생기(1100a)로 직류 전기를 제공한다. 전원(1200)의 양극은 수소 발생기(1100a)의 산화전극(1158)과 전기적으로 연결되고 전원(1200)의 음극은 수소 발생기(1100a)의 환원전극(1118)과 전기적으로 연결된다. 전원(1200)으로는 태양 전지와 풍력발전 등의 신재생 에너지를 포함하여 직류 전기를 제공할 수 있는 모든 형태의 전원이 사용될 수 있다.
도 3에는 본 기술의 다른 실시예에 따른 수소 발생장치의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 수소 발생기(1100b)는 내부에 반응 공간(1111)을 제공하는 반응 용기(1110)와, 반응 공간(1111)에 담긴 전해질 용액(1115)과, 반응 공간(1111)에서 전해질 용액(1115)에 적어도 일부가 잠기는 환원전극(1118)과, 반응 공간(1111)에서 전해질 용액(1115)에 적어도 일부가 잠기는 산화전극(1158)과, 이산화탄소 처리부(1120)와, 이산화탄소 순환 공급부(1130)와, 반응 공간(1111)과 이산화탄소 처리부(1120)를 연결하는 연결관(1140)을 포함한다. 반응 용기(1110), 전해질 용액(1115), 환원전극(1118) 및 산화전극(1158)은 도 1 및 2에 도시된 실시예에서 설명된 것과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이산화탄소 처리부(1120)는 수용 공간(1121)에 수용되고 반응 공간(1111)에 담긴 전해질 용액(1115)과 동일한 수용액인 전해질 용액(1115)을 구비한다. 이산화탄소 처리부(1120)에는 수용 공간(1121)으로 이산화탄소가 유입되는 제2 유입구(1122)와, 연결관(1140)이 연결되는 연통구(1123)와, 수용 공간(1121)의 상부에 위치하는 제2 배출구(1124)가 형성된다.
제2 유입구(1122)는 수용 공간(1121)에서 연통구(1123)보다 위에 위치하고, 제2 배출구(1124) 및 전해질(1115)의 수면보다 아래에 위치한다. 제2 유입구(1122)를 통해 수소 발생 과정에서 원료로 사용되는 이산화탄소 기체가 수용 공간(1121)으로 유입된다. 제2 유입구(1122)를 통해 필요에 따라 전해질(1115)도 공급될 수 있다.
연통구(1123)는 수용 공간(1121)에서 제2 유입구(1122)보다 아래에 위치하며, 연통구(1123)에는 연결관(1140)이 연결된다. 연통구(1123)를 통해 수용 공간(1121)은 반응 공간(1111)과 연통된다.
제2 배출구(1124)는 수용 공간(1121)에서 제2 유입구(1122) 및 전해질(1115)의 수면보다 위에 위치한다. 제2 배출구(1124)를 통해 수용 공간(1121)에서 전해질 용액(1115)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체가 외부로 배출된다. 제2 배출구(1124)를 통해 배출된 이산화탄소 가스는 이산화탄소 순환 공급부(1130)를 통해 제2 유입구(1122)로 공급된다.
이산화탄소 순환 공급부(1130)는 제2 배출구(1124)를 통해 배출되는 이산화탄소 가스를 제2 유입구(1122)로 순환시켜서 재공급한다.
연결관(1140)은 반응 공간(1111)의 제1 유입구(1112)와 수용 공간(1121)의 연통구(1123)을 연결한다. 연결관(1140)의 내부에 형성되는 연결 통로(1141)를 통해 반응 공간(1111)과 수용 공간(1121)이 연통된다.
제2 유입구(1122)를 통해 이산화탄소 처리부(1120)의 수용 공간(1121)으로 유입된 이산화탄소 중 전해질 용액(1115)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 반응 공간(1111)으로 이동하지 못하고 상승하여 수용 공간(1121) 내 전해질 용액(1115)의 수면 위 공간에 모인 후 제2 배출구(1124)를 통해 배출되고 제2 배출구(1124)를 통해 배출된 이산화탄소 기체는 이산화탄소 순환 공급부(1130)에 의해 제2 유입구(1122)를 통해 수용 공간(1121)으로 공급되어서 재활용된다. 또한, 이산화탄소 처리부(1120)의 수용 공간(1121)으로 유입된 이산화탄소 중 전해질 용액(1115)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 반응 공간(1111)으로 이동하지 못하므로, 제1 배출구(1113)를 통해서 이산화탄소가 섞이지 않은 고순도의 수소가 배출될 수 있다.
도 4에는 본 기술의 일 실시예에 따른, 연료전지 시스템의 개략적이 구성이 블록도로서 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 본 기술의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(1000)은 이산화탄소(CO2)를 제거하면서 수소(H2)를 발생시키는 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치(1100)과, 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부가적으로 이산화탄소 가스를 발생시키는 개질기(1300)와, 수소 발생장치(1100)와 개질기(1300)로부터 수소를 연료로 공급받아서 전기를 생산하는 연료전지(1400)를 포함한다.
수소 발생장치(1100)는 도 1 내지 도 3에 도시된 구성의 것이 사용되므로, 여기서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
개질기(1300)는 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부가적으로 이산화탄소 가스를 발생시킨다. 개질기(1300)에서 생산된 개질가스는 연료전지(1400)로 공급되고, 개질기(1300)에서 부가적으로 발생된 이산화탄소 가스는 수소 발생기(1100a, 1100b)로 공급된다. 이를 위하여, 본 실시예에서는 개질기(1300)가 메탄(CH4)과 수증기(H2O)의 개질 반응에 의해 수소(H2)를 생산하는 메탄-수증기 개질기인 것으로 설명한다.
메탄-수증기 개질기는 공정 가격이 저렴하고 대량 생산이 가능한 장점들 때문에 수소 생산 공정 중 상당히 많은 부분을 차지하고 있다. 다음의 [반응식 11]은 메탄-수증기 개질기(1300)의 개질 반응에 관한 것이다.
[반응식 11]
CH4 + H2O → CO + 3H2
CO + H2O → CO2 + H2
즉 메탄과 수증기의 화학반응에 의해 일산화탄소(CO)와 수소가 생성되며, 연속적으로 일산화탄소와 수증기의 화학반응에 의해 최종적으로 수소가 생산될 수 있다.
그런데 상기 메탄-수증기 개질기(1300)는 상술한 많은 장점을 갖고 있지만, 상기 [반응식 11]에서 알 수 있는 바와 같이 그 공정의 운영을 위해 외부에서 수증기를 공급해줘야 하며, 수소 생산의 부산물로서 지구 온난화 환경문제의 주원인이 되는 이산화탄소가 발생될 수 밖에 없다는 문제점이 있다. 하지만 본 기술의 경우, 메탄-수증기 개질기에서 발생되는 이산화탄소는 대기 중으로 방출되거나 별도의 이산화탄소 포집, 저장 공정으로 전달되는 대신, 수소 발생기(1100a)에 수소 발생을 위한 원료로 전달됨으로써 메탄-수증기 개질기의 운영에 있어 필요악인 이산화탄소 발생 문제까지 해결될 수 있다. 메탄-수증기 개질기는 공지된 기술이므로, 여기서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
연료전지(1400)는 수소와 산소의 화학반응에 의해 물이 생성됨과 아울러 전기에너지를 발생시키는 것이다. 연료전지(1400)는 수소 발생기(1100a, 1100b)에서 발생한 수소 및 개질기(1300)에서 생산된 수소를 연료로 공급받는다.
전원이 태양전지인 경우에, 태양전지가 작동하는 낮에는 수소 발생기(1100a, 1100b)가 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소를 생산하여 저장해 두고, 연료전지(1400)는 개질기에서 생산된 수소를 공급받아서 전기를 생산하며, 태양전지가 작동하지 않는 밤에는 개질기는 작동시키지 않고 낮에 저장된 수소 발생기(1100a)에 의해 생산된 수소가 연료전지(1400)로 공급되어서 전기가 생산되도록 연료전지 시스템(1000)이 작동함으로써, 연료전지 시스템(1000)의 전체 효율이 향상될 수 있다.
도 4에 도시된 연료전지 시스템(1000)은 연료전지(1400)가 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)인 경우에 대한 것인데, 본 기술은 이에 제한되는 것은 아니며, 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)가 사용될 수 있으며, 이에 대한 실시예가 도 5 및 도 6에 도시되어 있다.
도 5를 참조하면, 연료전지 시스템(2000)은 수소 발생기(1100a, 1100b)와, 전원(1200)과, 개질기(1300)와, SOFC(2400)를 포함한다. 개질기(1300)에 배출되는 수소, 탄화수소 및 일산화탄소는 SOFC(2400)에 연료로 공급되며, SOFC(2400)는 이산화탄소를 생성물로 배출한다. SOFC(2400)에 배출되는 이산화탄소는 수소 발생기(1100a, 1100b)로 공급된다. 즉, 수소 발생기(1100a, 1100b)는 개질기(1300) 및 SOFC(2400)에서 발생한 이산화탄소를 공급받아 제거하면서 수소를 생산하여 SOFC(2400)의 연료로 공급하게 된다. 나머지 구성은 도 4에 도시된 실시예와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 연료전지 시스템(3000)은 수소 발생기(1100a, 1100b)와, 전원(1200)과, SOFC(2400)를 포함한다. SOFC(2400)는 외부로부터 탄화수소를 연료로 공급받아서 이산화탄소를 생성물로 배출한다. SOFC(2400)에 배출되는 이산화탄소는 수소 발생기(1100a, 1100b)로 공급된다. 즉, 수소 발생기(1100a, 1100b)는 SOFC(2400)에서 발생한 이산화탄소를 공급받아 제거하면서 수소를 생산하여 SOFC(2400)의 연료로 공급하게 된다. 나머지 구성은 도 5에 도시된 실시예와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 7에는 본 기술의 일 실시예에 따른 수소 발생장치(1100)와 평형수 처리 시스템(2000)을 결합한 복합 평형수 처리 시스템의 구성을 블록도로 개략적으로 도시하였다. 도 7을 참조하면, 평형수 처리 시스템(2000)은 상기 수소 발생장치(1100)에서 배출되는 염소를 이용하여 평형수를 처리한다.
평형수 처리 시스템(2000)은 평형수를 공급하는 평형수 공급부(2100), 상기 수소 발생장치(1100)에서 발생한 염소를 공급받아 상기 평형수를 처리하는 평형수 처리부(2200), 상기 평형수 처리부(2200)에서 염소 처리된 평형수를 배출하는 평형수 배출부(2300)를 포함한다.
상기 평형수 처리부(2200)에서는 하기 반응식 12의 반응이 일어날 수 있다.
[반응식 12]
Cl2(g) + H2O(aq) → HCl(aq) + HClO(aq)
HClO → H+ + ClO-
HClO(aq)는 차아염소산으로 우수한 살균작용을 나타낸다.
도 8에는 본 기술의 일 실시예에 따른, 복합 에너지 시스템의 개략적이 구성이 블록도로서 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, 본 기술의 일 실시예에 따른 복합 에너지 시스템은 이산화탄소(CO2)를 제거하면서 수소(H2) 및 염소(Cl2)를 발생시키는 수소 발생장치(1100), 상기 수소 발생장치(1100)에서 발생된 염소를 사용하는 평형수 처리 시스템(2000) 및 상기 수소 발생장치(1100)에서 발생된 수소를 사용하는 연료전지(1400) 또는 동력장치(4400)를 포함한다.
수소 발생장치(1100), 연료전지(1400) 및 평형수 처리 시스템(2000)은 앞서 설명한 바와 같으므로, 여기서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
동력장치(4400)는 수소를 내연기관의 휘발유와 같이 직접 연소시켜 동력을 발생시키는 것이다. 동력장치(4400)는 수소 발생장치(1100)에서 발생한 수소 및/또는 개질기(1300)에서 생산된 수소를 연료로 공급받을 수 있다.
도 9에는 본 기술의 다른 일 실시예에 따른, 복합 에너지 시스템의 개략적이 구성이 블록도로서 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 본 기술의 다른 일 실시예에 따른 복합 에너지 시스템은 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 발생시키는 개질기(1300)를 더 포함하며, 상기 개질기(1300)에서 발생한 이산화탄소는 상기 수소 발생장치(1100)로 공급되고, 상기 개질가스는 상기 연료전지(1400) 또는 동력장치(4400)로 공급될 수 있다.
개질기(1300)는 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부가적으로 이산화탄소 가스를 발생시킨다. 개질기(1300)에서 생산된 개질가스는 연료전지(1400) 또는 동력장치(4400)로 공급되고, 개질기(1300)에서 부가적으로 발생된 이산화탄소 가스는 수소 발생장치(1100)로 공급된다. 개질기(1300)은 앞서 설명한 바와 같으므로, 여기서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 기술의 일 실시예에 따른 복합 에너지 시스템은 수소 발생장치(1100)에서 발생하는 수소를 연료전지(1400) 또는 동력장치(4400)로, 염소를 평형수 처리 시스템(2000)으로 공급하고, 연료전지(1400) 또는 동력장치(4400)에서 배출되는 이산화탄소를 수소 발생장치(1100)로 공급된다. 또한, 개질기(1300)에서 배출되는 수소, 탄화수소 및 일산화탄소를 연료전지(1400) 또는 동력장치(4400)에 연료로 공급한다.
이상 실시예를 통해 본 기술을 설명하였으나, 본 기술은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 기술의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 기술에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
본 기술의 수소 발생장치는 이산화탄소 가스를 원료로 하고 태양전지와 같은 신재생에너지를 이용하여 수소를 발생시키므로, 이산화탄소의 제거와 함께 연료전지 시스템에 효율적으로 적용될 수 있다. 또한, 전해질 용액으로서 염화나트륨 수용액과 같은 염소 이온을 포함하는 전해질을 사용하는 경우, 염소가 발생하며, 이를 선박의 평형수 처리 시스템에 사용할 수 있다. 또한, 수소를 사용하는 연료전지, 동력장치 및/또는 개질기를 추가적으로 결합함으로써, 이산화탄소를 지속적으로 제거할 수 있는 친환경적인 복합 에너지 시스템을 구성할 수 있다. 상기 복합 에너지 시스템을 선박에서 사용하면, 선박 운행 중 발생하는 이산화탄소를 지속적으로 제거할 수 있고, 이 때, 발생하는 염소를 선박의 평형수 처리 시스템에 사용할 수 있으며, 발생하는 수소를 연료전지 또는 동력장치의 연료로 사용할 수 있다.

Claims (35)

  1. 반응 공간에 수용되는 전해질과, 상기 반응 공간에서 상기 전해질에 적어도 일부가 잠기는 환원 전극과, 상기 반응 공간에서 상기 전해질에 적어도 일부가 잠기는 산화 전극을 포함하는 수소 발생기; 및
    상기 수소 발생기에 직류 전기를 인가하고 상기 환원 전극과 전기적으로 연결되는 음극과 상기 산화 전극과 전기적으로 연결하는 양극을 포함하는 전원을 포함하며,
    상기 전원에 의해 상기 수소 발생기에 직류 전기가 인가되고 이산화탄소 기체가 상기 전해질로 유입되어서, 상기 전해질의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 수소이온과 상기 환원 전극의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하는, 수소 발생장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응 공간에 수용되는 전해질은 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액이고,
    상기 산화전극에서는 상기 염소 음이온에서 전자가 분리되어 염소가 발생하는 염소발생반응이 일어나는, 수소 발생장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 산화전극에서 발생하는 염소를 배출하는 염소 배출부를 더 포함하는, 수소 발생장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전해질 수용액에 용해되는 이산화탄소의 양이 설정 값 이상으로 유지되도록 하기 위하여, 상기 산화전극에서 염소발생반응을 생성하여 상기 전해질 수용액의 pH를 설정 값 이상으로 유지시키는, 수소 발생장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 전해질 수용액은 염화나트륨 수용액, 염화칼륨 수용액 또는 염화칼슘 수용액인, 수소 발생장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 전해질 수용액은 해수인, 수소 발생장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 수소 발생기는 상기 반응 공간과 연통되는 수용 공간을 구비하는 이산화탄소 처리부를 더 포함하고,
    상기 이산화탄소 처리부의 수용 공간에는 전해질이 수용되고, 상기 전해질로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체를 상기 전해질로부터 분리하여 상기 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는, 수소 발생장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는,
    상기 이온화되지 않은 이산화탄소 기체를 상기 전해질과의 비중 차이를 이용하여 분리하는, 수소 발생장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는,
    상기 이온화되지 않은 이산화탄소 기체를 상기 수용 공간의 상기 전해질의 수면 상부에서 수집하는, 수소 발생장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부에는 상기 수용 공간의 상기 전해질의 수면보다 아래에 위치하고 이산화탄소 기체가 유입되는 유입구가 형성되며,
    상기 수용 공간에서 상기 반응 공간과 연통되도록 형성된 연통구는 상기 유입구보다 아래에 위치하는, 수소 발생장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반응 공간에는 발생한 수소 기체가 배출되도록 상기 반응 공간에 수용되는 상기 전해질의 수면보다 위에 위치하는 제1 배출구가 형성되는, 수소 발생장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부에는 상기 이온화되지 않은 이산화탄소 기체가 배출되도록 상기 수용 공간의 상기 전해질의 수면보다 위에 위치하는 제2 배출구가 형성되는, 수소 발생장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 수소 발생기는 상기 이산화탄소 처리부에서 상기 전해질로부터 분리된 상기 이온화되지 않은 이산화탄소 기체를 상기 수용 공간의 상기 전해질로 공급하는 이산화탄소 순환 공급부를 더 구비하는, 수소 발생장치.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전원은 태양전지인, 수소 발생장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전해질은 알칼리성 용액 또는 해수인, 수소 발생장치.
  16. 이산화탄소를 원료로 전기에너지를 이용하여 수소를 발생시키는 수소 발생장치; 및
    상기 수소 발생장치에서 발생된 수소를 연료로 공급받는 연료전지를 포함하며,
    상기 수소 발생장치는 제1항 또는 제2항에 기재된 수소 발생장치인, 연료전지 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 발생시키는 개질기를 더 포함하며,
    상기 개질기에서 발생한 이산화탄소는 상기 수소 발생기로 공급되고, 상기 개질가스는 상기 연료전지로 공급되는, 연료전지 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 전원은 태양전지이며,
    낮에는 상기 수소 발생장치에 의해 생산된 수소가 저장되고, 밤에는 상기 저장된 수소가 상기 연료전지로 공급되는, 연료전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 발생시키는 개질기를 더 포함하며,
    낮에는 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소가 상기 수소 발생기로 공급되고, 상기 개질가스가 상기 연료전지로 공급되는, 연료전지 시스템.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)인, 연료전지 시스템.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 연료전지는 탄화수소를 연료로 공급받고 이산화탄소를 생성물로 배출하는 고체산화물 연료전지(SOFC)인, 연료전지 시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지에서 생성된 이산화탄소는 상기 수소 발생기로 공급되는, 연료전지 시스템.
  23. 제21항에 있어서,
    상기 개질기에서 발생한 수소, 탄화수소 및 일산화탄소가 상기 고체산화물 연료전지의 연료로 공급되는, 연료전지 시스템.
  24. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 상기 수소 발생장치; 및
    평형수를 공급하는 평형수 공급부, 상기 수소 발생장치에서 발생한 염소로 상기 평형수를 처리하는 평형수 처리부, 상기 평형수 처리부에서 염소 처리된 평형수를 배출하는 평형수 배출부를 포함하는 평형수 처리 시스템;을 포함하는, 복합 평형수 처리 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 수소 발생장치는,
    이온화되지 않은 이산화탄소가 상기 반응 공간으로 직접 공급되지 않도록, 상기 반응 공간과 연통되고, 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액을 수용하는 수용 공간을 구비하는 이산화탄소 처리부를 더 포함하는, 복합 평형수 처리 시스템.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는,
    상기 이온화되지 않은 이산화탄소를 상기 전해질 수용액과의 비중 차이를 이용하여 분리하는, 복합 평형수 처리 시스템.
  27. 제25항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는,
    상기 이온화되지 않은 이산화탄소를 상기 수용 공간의 상기 전해질 수용액의 수면 상부에서 수집하는, 복합 평형수 처리 시스템.
  28. 제25항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는
    이산화탄소가 유입되는 유입구; 및 상기 수용 공간과 상기 반응 공간이 연통되도록 형성된 연통구;를 구비하고,
    상기 유입구는 상기 수용 공간의 전해질 수용액의 수면보다 아래에 위치하고, 상기 연통구는 상기 유입구보다 아래에 위치하는, 복합 평형수 처리 시스템.
  29. 제25항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는 상기 이온화되지 않은 이산화탄소가 배출되도록 상기 수용 공간의 전해질 수용액의 수면보다 위에 위치하는 배출구가 형성되는, 복합 평형수 처리 시스템.
  30. 제25항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는 상기 이온화되지 않은 이산화탄소를 상기 수용 공간의 전해질 수용액으로 재공급하는 순환 공급부를 더 포함하는, 복합 평형수 처리 시스템.
  31. 제24항에 따른 복합 평형수 처리 시스템; 및
    상기 수소 발생장치에서 발생하는 수소를 사용하는 연료전지 또는 동력장치;를 포함하는, 복합 에너지 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 발생시키는 개질기를 더 포함하며,
    상기 개질기에서 발생한 이산화탄소는 상기 수소 발생장치로 공급되고, 상기 개질가스는 상기 연료전지 또는 동력장치로 공급되는, 복합 에너지 시스템.
  33. 제31항에 있어서,
    상기 연료전지 또는 동력장치에서 생성되는 이산화탄소는 상기 수소 발생장치로 공급되는, 복합 에너지 시스템.
  34. 제31항에 있어서,
    상기 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)인, 복합 에너지 시스템.
  35. 제31항에 있어서,
    상기 연료전지는 탄화수소를 사용하고 이산화탄소를 배출하는 고체산화물 연료전지(SOFC)인, 복합 에너지 시스템.
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