WO2020145642A2 - 이산화탄소 활용 시스템 및 이를 활용한 복합 시스템 - Google Patents

이산화탄소 활용 시스템 및 이를 활용한 복합 시스템 Download PDF

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WO2020145642A2
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hydrogen
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김창민
김정원
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울산과학기술원
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Definitions

  • the present technology relates to a system for utilizing carbon dioxide that utilizes carbon dioxide through a voluntary electrochemical reaction without an external power source to produce electricity, hydrogen, and bicarbonate ions, and a complex system using the same.
  • Carbon dioxide emissions by industry type are highest in energy sources such as power plants, and carbon dioxide generated in the cement/steel/refining industry including power generation accounts for half of the world's emissions.
  • the carbon dioxide conversion/utilization field can be broadly classified into chemical conversion, biological conversion, and direct utilization, and the technical categories can be categorized into catalyst, electrochemistry, bio process, photo utilization, inorganic (carbonation), and polymer.
  • Carbon dioxide is generated in various industries and processes, and various approaches for carbon dioxide reduction are needed because carbon dioxide reduction cannot be achieved with one technology.
  • CCUS Carbon Capture & Storage
  • CCU Carbon Capture & Utilization
  • liquefied natural gas stores natural gas in a liquefied state due to the storage density problem of natural gas. Since natural gas is stored in an LNG storage tank in an extremely low temperature of 163°C below zero, the gas is constantly evaporating in the LNG storage tank. The gas evaporated in this way is called Boil Off Gas (BOG). LNG storage tanks are wrapped with heat dissipation materials to block external heat, but since it is technically difficult to block heat at 100%, a considerable amount of natural gas is vaporized.
  • BOG Boil Off Gas
  • the BOG is taken out by a compressor, re-liquefied, and then sent back to the storage tank or when the amount of BOG is large, discharged to the outside of the storage tank using a pressure regulating valve.
  • vaporized BOG is used as fuel, re-liquefied, or incinerated. All of these methods are not efficient or economical.
  • the purpose of this technology is to provide a system that utilizes greenhouse gas carbon dioxide through a spontaneous electrochemical reaction without using a separate power source.
  • Another object of the present technology is to provide a system for utilizing carbon dioxide, which is highly efficient and economical in manufacturing, installation, and maintenance of porous ion transport members.
  • Another object of the present technology is to provide a carbon dioxide utilization system capable of producing high-purity hydrogen, an eco-friendly fuel, by utilizing carbon dioxide.
  • Another object of the present technology is to provide a carbon dioxide utilization system capable of capturing carbon dioxide as bicarbonate ions.
  • Another object of the present technology is to produce hydrogen by using carbon dioxide and a fuel cell system using boil-off gas (Boil Off Gas, BOG) generated from liquefied natural gas (Liquefied Natural Gas, LNG) to produce the hydrogen. It is to provide a combined-generation power generation system using evaporation gas, which combines a system for utilizing carbon dioxide supplied to the system.
  • BOG boil-off gas
  • Another object of the present technology is to provide a propulsion power production system for ships that reduces carbon dioxide emissions while using fossil fuels.
  • Another object of the present technology is to provide a propulsion power production system for ships that produces hydrogen using carbon dioxide emitted from a heat engine that produces power by burning fossil fuels and utilizes it for power generation.
  • Another object of the present technology is to provide a power generation system for a submarine that prevents carbon dioxide from being discharged outside the submarine in a power generation system for a submarine using a fuel cell.
  • Another object of the present technology is to provide a power production system for a submarine with improved efficiency by utilizing carbon dioxide generated in a reforming process in a power production system for a submarine using a fuel cell.
  • a cathode portion including a first reaction space, a first aqueous solution and a cathode at least partially submerged in the first aqueous solution;
  • An anode portion including a second reaction space, a basic second aqueous solution, and an anode of a metal at least partially submerged in the second aqueous solution;
  • a connecting portion connecting the cathode portion and the anode portion, and captures carbon dioxide introduced into the first aqueous solution as bicarbonate ions and generates hydrogen ions, and the hydrogen ions and electrons of the cathode react to produce hydrogen.
  • the connecting portion is provided with a separator frame member, the separator frame member is installed so that the plurality of porous ion transport members that block the movement of the first aqueous solution and the second aqueous solution and allow the movement of ions detachable, carbon dioxide A utilization system is provided.
  • a storage unit for storing liquefied natural gas (LNG), boil-off gas generated from liquefied natural gas (LNG) stored in the storage unit (BOG A fuel cell system for producing electricity using) and a carbon dioxide utilization system for producing hydrogen using carbon dioxide and supplying the produced hydrogen to the fuel cell system, a combined power generation system using evaporation gas is provided.
  • LNG liquefied natural gas
  • LNG boil-off gas generated from liquefied natural gas
  • a heat engine that produces fossil fuel to produce mechanical energy used as a propulsion power of a ship and discharges carbon dioxide gas as a by-product
  • a carbon dioxide utilization system for producing electric energy used as a propulsion power of the ship, wherein the carbon dioxide utilization system includes a first aqueous solution accommodated in a first reaction space and a cathode at least partially submerged in the first aqueous solution, A basic second aqueous solution accommodated in the second reaction space, an anode at least partially submerged in the second aqueous solution, a connection passage communicating the first reaction space with the second reaction space, and provided in the connection passage
  • the first aqueous solution and the second aqueous solution is provided with an ion transport member having a porous structure that blocks movement and allows ions to move, and carbon dioxide gas discharged from the heat engine as the first aqueous solution in the process of discharging the carbon dioxide utilization system.
  • hydrogen ions and bicarbonate ions are generated by the reaction of the water and the carbon dioxide gas in the first aqueous solution, and the propulsion power production system for ships that generates hydrogen gas by combining electrons of the hydrogen ions and the cathode is provided. do.
  • a heat engine for burning fossil fuel to produce mechanical energy used as a propulsion power of a ship and to discharge carbon dioxide gas as a by-product;
  • a carbon dioxide utilization system for producing electric energy used as a propulsion power of the ship, wherein the carbon dioxide utilization system includes at least a portion of the first aqueous potassium hydroxide solution and the first aqueous potassium hydroxide solution accommodated in the first reaction space.
  • a locked cathode a second potassium hydroxide aqueous solution accommodated in the second reaction space, an anode at least partially submerged in the second potassium hydroxide aqueous solution, and a connecting passage communicating the first reaction space and the second reaction space, It is installed in the connection passage and is provided with an ion exchange membrane that blocks movement of the first aqueous potassium hydroxide solution and the second aqueous potassium hydroxide solution and allows movement of ions, and the first potassium hydroxide is used in the discharge process of the carbon dioxide utilization system.
  • Carbon dioxide gas discharged from the heat engine is introduced into the aqueous solution, and hydrogen ions and bicarbonate ions are generated by the reaction of the first potassium hydroxide aqueous solution with the carbon dioxide gas, and the hydrogen ions and the electrons of the cathode are combined to form hydrogen.
  • a propulsion power production system for ships generating gas is provided.
  • a heat engine that produces fossil fuel to produce mechanical energy used as a propulsion power of a ship and discharges carbon dioxide gas as a by-product
  • a carbon dioxide utilization system for producing electric energy used as a propulsion power of the ship, wherein the carbon dioxide utilization system includes a first aqueous solution accommodated in a first reaction space and a cathode at least partially submerged in the first aqueous solution, A basic second aqueous solution accommodated in the second reaction space, an anode at least partially immersed in the second aqueous solution, and a salt bridge connecting the first aqueous solution and the second aqueous solution, and discharging the carbon dioxide utilization system
  • the first aqueous solution carbon dioxide gas discharged from the heat engine flows in, and hydrogen ions and bicarbonate ions are generated by the reaction of water and the carbon dioxide gas in the first aqueous solution, and the hydrogen ions and electrons of the catho
  • a heat engine that produces fossil fuel to produce mechanical energy used as a propulsion power of a ship and discharges carbon dioxide gas as a by-product;
  • a carbon dioxide utilization system for producing electric energy used as a propulsion power of the ship, wherein the carbon dioxide utilization system includes an aqueous electrolyte accommodated in a reaction space and a cathode at least partially submerged in the reaction space in the reaction space, In the reaction space, an anode at least partially submerged in the water-based electrolyte is provided, and carbon dioxide gas discharged from the heat engine is introduced into the water-based electrolyte during discharge of the carbon dioxide utilization system, and water and the carbon dioxide gas of the water-based electrolyte are introduced. Hydrogen ions and bicarbonate ions are generated by the reaction, and a propulsion power production system for ships in which hydrogen gas is generated by combining the hydrogen ions and electrons of the cathode is provided.
  • a reformer for producing hydrogen-rich reformed gas from hydrogen-containing fuel and generating carbon dioxide gas as a by-product
  • a carbon dioxide utilization system that generates hydrogen gas from the carbon dioxide generated in the reformer together with electrical energy used as power for the submarine during the discharge process
  • a fuel cell receiving the reformed gas produced from the reformer and the hydrogen gas generated from the carbon dioxide utilization system to produce electric energy used as power for the submarine, wherein the carbon dioxide utilization system is a product that is accommodated in a first reaction space.
  • aqueous solution a cathode at least partially submerged in the first aqueous solution, a basic second aqueous solution accommodated in a second reaction space, an anode at least partially submerged in the second aqueous solution, the first reaction space and the agent 2
  • It is provided with a connection passage for communicating the reaction space, and an ion transmission member having a porous structure that is installed in the connection passage to block the movement of the first aqueous solution and the second aqueous solution and to allow the movement of ions.
  • Hydrogen ions and bicarbonate ions are generated by the reaction of water and the carbon dioxide gas in the first aqueous solution in the process of discharging, and the hydrogen ions and electrons of the cathode are combined to generate hydrogen gas supplied to the fuel cell.
  • a power generation system is provided.
  • a reformer for producing hydrogen-rich reformed gas from hydrogen-containing fuel and generating carbon dioxide gas as a by-product
  • a carbon dioxide utilization system that generates hydrogen gas from the carbon dioxide generated in the reformer together with electrical energy used as power of the submarine during the discharge process
  • a fuel cell receiving the reformed gas produced from the reformer and hydrogen gas generated from the carbon dioxide utilization system to produce electric energy used as power of the submarine
  • the carbon dioxide utilization system includes a first reaction space and the first A receiving space communicating with one reaction space, a first aqueous solution accommodated in the first reaction space and the receiving space, a cathode at least partially submerged in the first aqueous solution in the first reaction space, and a second reaction space
  • Hydrogen ions and bicarbonate ions are generated by the reaction of water in the first aqueous solution and the carbon dioxide gas as carbon dioxide gas flows in, and electrons of the hydrogen ions and the cathode are combined in the first reaction space and supplied to the fuel cell Hydrogen gas is generated, for the submarine to prevent the non-ionized carbon dioxide gas of the carbon dioxide gas flowing into the first aqueous solution in the receiving space is separated from the first aqueous solution in the receiving space and not supplied to the first reaction space A power production system is provided.
  • a reformer for producing hydrogen-rich reformed gas from hydrogen-containing fuel and generating carbon dioxide gas as a by-product
  • a carbon dioxide utilization system that generates hydrogen gas from the carbon dioxide generated in the reformer together with electrical energy used as power of the submarine during the discharge process
  • a fuel cell receiving the reformed gas produced from the reformer and the hydrogen gas generated from the carbon dioxide utilization system to produce electric energy used as power for the submarine, wherein the carbon dioxide utilization system is a product that is accommodated in a first reaction space.
  • a reformer for producing hydrogen-rich reformed gas from hydrogen-containing fuel and generating carbon dioxide gas as a by-product
  • a carbon dioxide utilization system that generates hydrogen gas from the carbon dioxide generated in the reformer together with electrical energy used as power of the submarine during the discharge process
  • a fuel cell receiving the reformed gas produced from the reformer and hydrogen gas generated from the carbon dioxide utilization system to produce electric energy used as power of the submarine
  • the carbon dioxide utilization system includes a first reaction space and the first 1 a receiving space communicating with the reaction space, a first potassium hydroxide aqueous solution accommodated in the first reaction space and the receiving space, a cathode at least partially submerged in the first aqueous solution in the first reaction space, and a second reaction
  • a connection passage connecting the space, a second aqueous solution of potassium hydroxide accommodated in the second reaction space, an anode at least partially submerged in the second aqueous potassium hydroxide solution, and
  • Carbon dioxide gas generated in the reformer flows into the aqueous potassium hydroxide solution, and hydrogen ions and bicarbonate ions are generated by the reaction of water and the carbon dioxide gas in the first potassium hydroxide aqueous solution, and the hydrogen ions and the The electrons of the cathode are combined to generate hydrogen gas supplied to the fuel cell, and the non-ionized carbon dioxide gas among the carbon dioxide gas flowing into the first potassium hydroxide aqueous solution in the receiving space is the first potassium hydroxide aqueous solution in the receiving space.
  • a power production system for a submarine that is separated from and not supplied to the first reaction space.
  • a reformer for producing hydrogen-rich reformed gas from hydrogen-containing fuel and generating carbon dioxide gas as a by-product
  • a carbon dioxide utilization system that generates hydrogen gas from the carbon dioxide generated in the reformer together with electrical energy used as power of the submarine during the discharge process
  • a fuel cell receiving the reformed gas produced from the reformer and the hydrogen gas generated from the carbon dioxide utilization system to produce electric energy used as power for the submarine, wherein the carbon dioxide utilization system is a product that is accommodated in a first reaction space.
  • aqueous solution a cathode at least partially submerged in the first aqueous solution, a basic second aqueous solution accommodated in a second reaction space, an anode at least partially submerged in the second aqueous solution, the first aqueous solution and the second
  • a salt bridge connecting an aqueous solution is provided, and carbon dioxide gas generated in the reformer flows into the first aqueous solution during the discharging process of the carbon dioxide utilization system, and hydrogen ions and bicarbonate are reacted by reaction of water and the carbon dioxide gas in the first aqueous solution.
  • a power generation system for a submarine in which ions are generated and hydrogen ions supplied to the fuel cell are generated by combining the hydrogen ions and electrons of the cathode.
  • the present technology in order to achieve the object of the present technology described above, in order to achieve the object of the present technology described above, according to another aspect of the technology, it produces hydrogen-rich reformed gas from hydrogen-containing fuel and generates carbon dioxide gas as a by-product. Reformer; A carbon dioxide utilization system that generates hydrogen gas from the carbon dioxide generated in the reformer together with electrical energy used as power of the submarine during the discharge process; And a fuel cell receiving the reformed gas produced from the reformer and hydrogen gas generated from the carbon dioxide utilization system to produce electric energy used as power of the submarine, wherein the carbon dioxide utilization system includes a first reaction space and the first A receiving space communicating with one reaction space, a first aqueous solution accommodated in the first reaction space and the receiving space, a cathode at least partially submerged in the first aqueous solution in the first reaction space, and a second reaction space , A basic second aqueous solution accommodated in the second reaction space, an anode at least partially submerged in the second aqueous solution, and a salt
  • the hydrogen ions and electrons of the cathode are combined to generate hydrogen gas supplied to the fuel cell, and among the carbon dioxide gas flowing into the first aqueous solution in the accommodation space, non-ionized carbon dioxide gas is the first in the accommodation space.
  • a power generation system for a submarine that is separated from an aqueous solution and is not supplied to the first reaction space.
  • the present technology in order to achieve the object of the present technology described above, in order to achieve the object of the present technology described above, according to another aspect of the technology, it produces hydrogen-rich reformed gas from hydrogen-containing fuel and generates carbon dioxide gas as a by-product. Reformer; A carbon dioxide utilization system that generates hydrogen gas from the carbon dioxide generated in the reformer together with electrical energy used as power of the submarine during the discharge process; And a fuel cell receiving the reformed gas produced from the reformer and the hydrogen gas generated from the carbon dioxide utilization system to produce electric energy used as power of the submarine, wherein the carbon dioxide utilization system includes an aqueous electrolyte accommodated in a reaction space and , A cathode at least partially submerged in the water-based electrolyte in the reaction space, and an anode submerged in the water-based electrolyte in the reaction space, and carbon dioxide gas generated in a reformer with the water-based electrolyte in the process of discharging the carbon dioxide utilization system Is introduced, hydrogen ions and bicarbonate
  • a reformer for producing hydrogen-rich reformed gas from hydrogen-containing fuel and generating carbon dioxide gas as a by-product
  • a carbon dioxide utilization system that generates hydrogen gas from the carbon dioxide generated in the reformer together with electrical energy used as power of the submarine during the discharge process
  • a fuel cell receiving the reformed gas produced from the reformer and hydrogen gas generated from the carbon dioxide utilization system to produce electric energy used as power of the submarine
  • the carbon dioxide utilization system includes a reaction space, the reaction space and It is provided with a receiving space in communication, an aqueous electrolyte accommodated in the receiving space in the reaction space, a cathode at least partially submerged in the aqueous electrolyte in the reaction space, and an anode submerged in the aqueous electrolyte in the reaction space.
  • carbon dioxide gas generated in the reformer flows into the aqueous electrolyte in the accommodation space, and hydrogen ions and bicarbonate ions are generated by the reaction of water and the carbon dioxide gas in the aqueous electrolyte, and the reaction is performed.
  • the hydrogen ions and electrons of the cathode are combined to generate hydrogen gas supplied to the fuel cell, and among the carbon dioxide gases flowing into the aqueous electrolyte in the accommodation space, non-ionized carbon dioxide gas is introduced into the aqueous space in the accommodation space.
  • a power generation system for a submarine that is separated from the electrolyte and is not supplied to the reaction space.
  • carbon dioxide can be generated through a spontaneous electrochemical reaction without a separate external power source to generate electricity, hydrogen, and bicarbonate ions.
  • the carbon dioxide utilization system is provided with a separator frame member that is installed so that a plurality of porous ion transport members can be detachably attached, thereby increasing efficiency and economic efficiency of manufacturing and maintenance of the porous ion transport member when the carbon dioxide utilization system is enlarged. have.
  • the discarded evaporation gas can be used to produce electricity.
  • the greenhouse gas emitted from the fuel cell system or other devices is removed, and hydrogen, which is a clean energy source, is produced and supplied to the fuel cell, thereby realizing an eco-friendly complex power generation system without carbon dioxide generation. .
  • the system uses a carbon dioxide utilization system that generates hydrogen in the discharge process by using carbon dioxide emitted from a heat engine that produces fossil fuel by burning fossil fuels, and produces electrical energy used as a propulsion power, and hydrogen generated in the carbon dioxide utilization system.
  • a carbon dioxide utilization system that generates hydrogen in the discharge process by using carbon dioxide emitted from a heat engine that produces fossil fuel by burning fossil fuels, and produces electrical energy used as a propulsion power, and hydrogen generated in the carbon dioxide utilization system.
  • a carbon dioxide utilization system for generating hydrogen supplied to a fuel cell using carbon dioxide emitted from a reformer as well as electrical energy used as the power of the submarine during discharge is provided. Therefore, the emission of carbon dioxide from the submarine is prevented, and the power production efficiency of the submarine can be improved.
  • Figure 1 shows the operation of the carbon dioxide utilization system according to an embodiment of the present technology.
  • Figure 2 shows the configuration of the membrane frame member and the porous ion transfer member of the carbon dioxide utilization system according to an embodiment of the present technology.
  • FIG 3 illustrates an operation process of a carbon dioxide utilization system including a carbon dioxide processing unit according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 4 is a schematic block diagram of a combined power generation system using evaporative gas according to the present technology.
  • FIG. 5 is a schematic block diagram of a combined power generation system using evaporation gas according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing an operation process of a carbon dioxide utilization system according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing an operation process of a carbon dioxide utilization system according to another embodiment of the present technology.
  • FIG. 8 is a schematic block diagram of a combined power generation system using evaporation gas according to another embodiment of the present technology.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an operation process of a carbon dioxide utilization system according to another embodiment of the present technology.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a schematic configuration of a propulsion power production system for ships using carbon dioxide according to an embodiment of the present technology.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a schematic configuration of a propulsion power production system for ships using carbon dioxide according to another embodiment of the present technology.
  • FIG. 12 is a diagram for one embodiment of the carbon dioxide utilization system shown in FIGS. 10 and 11, and is a schematic diagram illustrating a discharge process.
  • FIG. 13 is a diagram for another embodiment of the carbon dioxide utilization system shown in FIGS. 10 and 11, and is a schematic diagram illustrating a discharge process.
  • FIG. 14 is a view for another embodiment of the carbon dioxide utilization system shown in FIGS. 10 and 11, and is a schematic diagram illustrating a discharge process.
  • FIG. 15 is a diagram for another embodiment of the carbon dioxide utilization system illustrated in FIGS. 10 and 11, and is a schematic diagram illustrating a discharge process.
  • FIG. 16 is a diagram for another embodiment of the carbon dioxide utilization system illustrated in FIGS. 10 and 11, and is a schematic diagram illustrating a discharge process.
  • FIG. 17 is a diagram for another embodiment of the carbon dioxide utilization system shown in FIGS. 10 and 11, and is a schematic diagram illustrating a discharge process.
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams for another example of the carbon dioxide utilization system illustrated in FIGS. 10 and 11, and is a schematic diagram illustrating a discharge process.
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams for another embodiment of the carbon dioxide utilization system illustrated in FIGS. 10 and 11, and is a schematic diagram illustrating a discharge process.
  • FIGS. 10 and 11 are diagrams for another embodiment of the carbon dioxide utilization system illustrated in FIGS. 10 and 11, and is a schematic diagram illustrating a discharge process.
  • 21 is a block diagram showing a schematic configuration of a power generation system for a submarine using a fuel cell according to an embodiment of the present technology.
  • the carbon dioxide utilization system 100 includes a cathode unit 110, an anode unit 150, and a connection unit connecting the cathode unit 110 and the anode unit 150 (190).
  • the carbon dioxide utilization system 100 uses carbon dioxide gas (CO 2 ), which is a greenhouse gas, as a raw material in the process of spontaneous redox reaction, and produces hydrogen (H 2 ), which is an eco-friendly fuel.
  • CO 2 carbon dioxide gas
  • H 2 hydrogen
  • the cathode unit 110 includes a first aqueous solution 115 contained in the first reaction space 111 and a cathode 118 in which at least a portion is submerged in the first aqueous solution 115.
  • aqueous solution 115 an alkaline aqueous solution (in this embodiment, an elution of CO 2 in a strong basic solution of 1M KOH is used), seawater, tap water, distilled water, and the like can be used.
  • the cathode 118 is an electrode for forming an electrical circuit, and 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 first inlet 112 and a first outlet 113 communicating with the first reaction space 111 are formed in the cathode 110.
  • the first inlet 112 is positioned below the first reaction space 111 so that it is located below the water surface of the first aqueous solution 115.
  • the first outlet 113 is positioned above the first reaction space 111 so as to be positioned above the water surface of the first aqueous solution 115.
  • Carbon dioxide which is used as fuel in the reaction process, is introduced into the first reaction space 111 through the first inlet 112, and the first aqueous solution 115 may also be introduced, if necessary.
  • the gas generated in the reaction process is discharged to the outside through the first outlet 113.
  • the inlet 112 and the outlet 113 may be selectively opened and closed in a timely manner by a valve or the like during charging and reaction.
  • a carbon dioxide elution reaction occurs in the course of the reaction.
  • the anode unit 150 includes a second aqueous solution 155 contained in the second reaction space 151 and an anode 158 at least partially submerged in the second aqueous solution 155.
  • an alkali solution having a high concentration is used, for example, 1M KOH or 6M KOH may be used.
  • the anode 158 is an electrode of a metal material constituting an electrical circuit. In this embodiment, it will be described that zinc (Zn) or aluminum (Al) is used as the anode 158. In addition, an alloy containing zinc or aluminum may be used as the anode 158.
  • connection part 190 includes a connection passage 191 connecting the cathode part 110 and the anode part 150, and a separator frame member 192 installed inside the connection passage 191.
  • connection passage 191 extends between the first connector 114 formed on the cathode 110 and the second connector 154 formed on the anode 150 so that the first reaction space 111 of the cathode 110 ) And the second reaction space 151 of the anode 150 are communicated.
  • a separator frame member 192 is installed inside the connection passage 191.
  • the separator frame member 192 is generally disk-shaped and is installed in a form of blocking the inside of the connection passage 191.
  • a porous ion transfer member 193 is detachably installed on the separator frame member 192.
  • the porous ion transfer member 193 is made of a porous structure, allowing movement of ions between the cathode portion 110 and the anode portion 150, while blocking the movement of the aqueous solutions 115 and 155.
  • the porous ion transfer member 193 may be provided in plural with a plurality of separator frame members 192. Even when the carbon dioxide utilization system 100 is enlarged, a plurality of porous ion transfer members 193 having a predetermined size can be installed separately, so that an area of a connection portion can be easily expanded, and the porous ion transfer member 193 ) Can increase the efficiency and economics of manufacturing, replacement and maintenance.
  • the porous ion transfer member 193 may be made of glass, but is not limited thereto, and other materials forming a porous structure may also be used. This also falls within the scope of the present technology.
  • the porous ion transfer member 193 has a pore size of 160 to 250 microns corresponding to a G0 grade (micron) 100 to 160 microns corresponding to a G1 grade, 40 to 100 microns corresponding to a G2 grade, Porous glass of 16 to 40 microns corresponding to G3 grade, 5 to 16 microns corresponding to G4 grade, and 1 to 5 microns corresponding to G5 may be used, and 1 to 40 of G3 grade to G5 grade having low permeation of solution It is preferred to use micron porous glass.
  • the porous ion transfer member 193 eliminates ion imbalance generated in the reaction process by transferring only ions.
  • FIG. 1 shows the reaction process of the carbon dioxide utilization system 100 together.
  • carbon dioxide is injected into the first aqueous solution 115 through the inlet 112, and a chemical elution reaction of carbon dioxide is performed in the cathode 110 as follows [Scheme 1].
  • the carbon dioxide (CO 2 ) supplied to the cathode unit 110 undergoes a spontaneous chemical reaction with water (H 2 O) of the first aqueous solution 115 and hydrogen cations (H + ) and bicarbonate ( HCO 3 -) is generated.
  • the hydrogen cation (H + ) in the cathode 110 receives electrons (e ⁇ ), and hydrogen (H 2 ) gas is generated.
  • the generated hydrogen (H 2 ) gas is discharged to the outside through the first outlet 113.
  • the anode 158 is aluminum (Al)
  • an oxidation reaction as shown in [Reaction Scheme 6] is performed.
  • the carbon dioxide utilization system 100 may further include a carbon dioxide processing unit 200.
  • the carbon dioxide processing unit 200 includes the same aqueous solution as the first aqueous solution 115 of the cathode 110 or the aqueous solution 162 of the reaction space 161.
  • the carbon dioxide processing unit 200 includes a cathode unit 110 or a connection pipe 210 communicating the reaction space 161 with the carbon dioxide processing unit 200, a second inlet 220 through which carbon dioxide is introduced, and a second located above
  • a discharge port 230 and a carbon dioxide circulation supply unit 240 may be included.
  • the second inlet 220 is located above the connection pipe 210 in the carbon dioxide processing unit 200, and is located below the water surface of the second outlet 230 and the first aqueous solution 115 or the aqueous solution 162. Carbon dioxide gas used as fuel in the reaction process is introduced into the carbon dioxide processing unit 200 through the second inlet 220.
  • the first aqueous solution 115 or the aqueous solution 162 may also be supplied as needed through the second inlet 220.
  • the second inlet 220 and the first outlet 113 may be selectively opened and closed at appropriate times by a valve or the like during reaction.
  • connection pipe 210 is located below the second inlet 220 in the carbon dioxide processing unit 200, and the carbon dioxide processing unit 200 is connected to the first reaction space 111 or the reaction space 161 through the connection pipe 210. Is in communication with.
  • the second outlet 230 is located above the water surface of the second inlet 220 and the first aqueous solution 115 or the aqueous solution 162 in the carbon dioxide processing unit 200. Carbon dioxide gas that is not ionized because it is not dissolved in the first aqueous solution 115 or the aqueous solution 162 in the carbon dioxide processing unit 200 through the second outlet 230 is discharged to the outside. The carbon dioxide gas discharged through the second outlet 230 is supplied to the second inlet 220 through the carbon dioxide circulation supply unit 240.
  • the carbon dioxide circulation supply unit 240 recirculates the carbon dioxide gas discharged through the second outlet 230 to the second inlet 220 and re-supplies it.
  • connection pipe 210 is connected to the first reaction space 111 or the first inlet 112 of the reaction space 161.
  • the first reaction space 111 or the reaction space 161 communicates with the carbon dioxide processing unit 200 through the connection pipe 210.
  • Carbon dioxide gas that is not dissolved in the first aqueous solution 115 or the aqueous solution 162 among the carbon dioxide introduced into the carbon dioxide processing unit 200 through the second inlet 220 is the first reaction space 111 or the reaction space ( 161), but cannot rise to rise and is collected in the space above the water surface of the first aqueous solution 115 or the aqueous solution 162 in the carbon dioxide processing unit 200 and then discharged through the second outlet 230 and through the second outlet 230
  • the discharged carbon dioxide gas is supplied to the carbon dioxide processing unit 200 through the second inlet 220 by the carbon dioxide circulation supply unit 240 and recycled.
  • the combined power generation system 10 using the boil-off gas is generated from a storage unit 1100 storing liquefied natural gas (LNG), and a liquefied natural gas stored in the storage unit 1100 It includes a fuel cell system 1200 for producing electricity by using the boil-off gas and a carbon dioxide utilization system 100 for producing hydrogen by utilizing carbon dioxide generated in the fuel cell system 1200.
  • LNG liquefied natural gas
  • COG carbon dioxide utilization system
  • the combined power generation system 10 using the boil-off gas uses the boil-off gas generated in the storage unit 1100 for storing liquefied natural gas as fuel for the fuel cell system 1200. Generating, injecting carbon dioxide generated during the operation of the fuel cell system 1200 into the carbon dioxide utilization system 100 to produce hydrogen through an oxidation-reduction reaction, and supplying the produced hydrogen to the fuel of the fuel cell system 1200 By doing so, it is intended to increase the utilization efficiency of resources and reduce the greenhouse gas carbon dioxide.
  • the storage unit 1100 stores natural gas in a liquefied state to increase the storage capacity of the natural gas.
  • the liquefied natural gas stored in the storage unit 1100 may reach a temperature of minus 163°C.
  • the storage unit is designed and constructed using materials that can withstand ultra-low temperatures.
  • Evaporation gas is generated from the liquefied natural gas, and the evaporation gas is generated by heat input through the storage unit 1100 or piping or by convection due to liquid stratification.
  • the combined power generation system 10 using the evaporation gas according to the present technology may be implemented to supply the evaporation gas generated from the liquefied natural gas to the fuel cell system 1200 without directly discharging or combusting it.
  • the fuel cell system 1200 may generate electricity through an electrochemical reaction by fuel, electrolyte, and air, and the fuel includes the evaporated gas and/or hydrogen.
  • the fuel cell system 1200 may be directly connected to the storage unit 1100 and the fuel cell system 1200 so that the boil-off gas generated in the storage unit 1100 can be directly supplied.
  • the boil-off gas generated in the storage unit 1100 may be moved to the fuel cell system 1200 through an air blower, an impeller, or a transfer pump.
  • an evaporation gas may be supplied by having an evaporation gas storage space for storing the evaporation gas generated in the storage unit 1100 and connected to it.
  • the fuel cell system 1200 generates electricity using evaporated gas generated from liquefied natural gas stored in the storage unit 1100.
  • the fuel cell system 1200 includes a fuel cell 1210.
  • the fuel cell 1210 used in the fuel cell system includes a molten carbonate fuel cell (MCFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), a solid oxide fuel cell (SOFC), and a phosphoric acid fuel cell (PAFC). ) And a direct carbon fuel cell (DCFC), but is not limited thereto.
  • MCFC molten carbonate fuel cell
  • PEMFC polymer electrolyte fuel cell
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • PAFC phosphoric acid fuel cell
  • DCFC direct carbon fuel cell
  • the fuel cell system 1200 may further include a reformer 1220.
  • the reformer 1220 produces hydrogen-rich reformed gas from a hydrogen-containing fuel and additionally generates carbon dioxide gas. Hydrocarbons reformed by the reformer 1220 include methane (CH 4 ), ethane (C 2 H 6 ), propane (C 3 H 8 ), butane (C 4 H) 10 ), hexane (C 6 H 14 ), heptane (C 7 H 16 ), octane (C 8 H 18 ), nonane (C 9 H 20 ), decane ) (C 10 H 22 ).
  • the reformed gas produced in the reformer 1220 is supplied to the fuel cell, and the carbon dioxide gas additionally generated in the reformer 1220 is supplied to the carbon dioxide utilization system 100.
  • the reformer 1220 is a methane-steam reformer that produces hydrogen (H2) by a reforming reaction of methane (CH4), which is a main component of evaporation gas, and water vapor (H2O).
  • Methane-steam reformers are a significant part of the hydrogen production process due to the low process cost and the advantages of mass production.
  • the following [Scheme 8] relates to the reforming reaction of the methane-steam reformer.
  • carbon monoxide (CO) and hydrogen are produced by the chemical reaction between methane and water vapor, and hydrogen can be finally produced by the chemical reaction between carbon monoxide and water vapor.
  • the carbon dioxide utilization system 100 utilizes carbon dioxide generated in the fuel cell 1210 or reformer 1220 of the fuel cell system 1200 to produce hydrogen.
  • the hydrogen produced can be supplied to the fuel cell system 1200 and used as fuel for the fuel cell system 1200.
  • the carbon dioxide utilization system 100a includes a first reaction space 111, a first aqueous solution 115, and a cathode 118 in which at least a portion is submerged in the first aqueous solution 115.
  • An anode portion including a cathode portion 110, a second reaction space 151, a basic second aqueous solution 155 and a metal anode 158 at least partially submerged in the second aqueous solution 155 It includes 150 and the connecting portion 190 for connecting the cathode 110 and the anode 150.
  • An aqueous solution 172 is contained in the reaction space 171, and the cathode 118 and the anode 158 are accommodated.
  • a first inlet 112 and a first outlet 113 may be formed in the reaction space 171.
  • the first inlet 112 is positioned below the reaction space 171 so that it is located below the water surface of the aqueous solution.
  • the first outlet 113 is positioned above the reaction space 171 so that it is positioned above the water surface of the aqueous solution 172.
  • Carbon dioxide used as fuel in the reaction process is introduced into the reaction space 171 through the first inlet 112, and an aqueous solution 172 may also be introduced if necessary.
  • the gas generated in the reaction process is discharged to the outside through the first outlet 113.
  • the first inlet 112 and the first outlet 113 may be selectively opened and closed in a timely manner by a valve or the like during charging and reaction.
  • carbon dioxide elution reaction occurs in the course of the reaction.
  • the aqueous solution 172 is contained in the reaction space 171, and at least a portion of the cathode 118 and at least a portion of the anode 158 are immersed in the aqueous solution 172.
  • a basic solution or seawater is used as the aqueous solution 172.
  • the aqueous solution 172 becomes weakly acidic by carbon dioxide introduced through the first inlet 112 during the reaction process.
  • the cathode 118 is at least partially submerged in the aqueous solution 172 in the reaction space 171.
  • the cathode 118 is positioned relatively closer to the first inlet than the anode 158 in the reaction space 171.
  • the cathode 118 is an electrode for forming an electrical circuit, and 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.
  • HER oxygen generating reaction
  • the anode 158 is at least partially submerged in the aqueous solution 172 in the reaction space 171.
  • the anode 158 is positioned relatively far from the first inlet 112 than the cathode 118 in the reaction space 171.
  • the anode 158 is an electrode of a metal material constituting an electrical circuit, and in this embodiment, as the anode 158, vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel It will be described that (Ni), copper (Cu), aluminum (Al) or zinc (Zn) is used.
  • an oxidation reaction according to the weakly acidic environment occurs at the anode 158.
  • reaction process of the carbon dioxide utilization system 100b described in the above configuration is the same as the carbon dioxide utilization system 100 described above, and the reaction process is also the same as [Scheme 1] to [Scheme 7]. Omitted.
  • the combined power generation system 10c using the boil-off gas includes a liquefied natural gas storage 1100, a fuel cell system 1200, and a carbon dioxide utilization system 100c.
  • the combined power generation system 10c supplies boil-off gas generated from the liquefied natural gas storage to the fuel cell system 1200, and the fuel cell system 1200 generates electricity and generates carbon dioxide.
  • Carbon dioxide generated in the fuel cell system 1200 is supplied to a carbon dioxide utilization system 100c, and the carbon dioxide utilization system 100c is supplied with power from a power source 1400 to produce hydrogen, chlorine, and electricity through an electrochemical reaction. do.
  • Hydrogen produced in the carbon dioxide utilization system 100c may be used as fuel for the fuel cell system 1200.
  • the carbon dioxide utilization system 100c includes a reaction space 171, an aqueous electrolyte solution 172 accommodated in the reaction space 171 and containing chlorine anions, and an aqueous electrolyte solution in the reaction space 171 ( Cathode 118 at least partially submerged in 172, hydrogen outlet for discharging hydrogen generated in the cathode 118, anode 158 at least partially submerged in the electrolyte solution 343 in the reaction space 171 And a power source 1400 electrically connected to the cathode 118 and the anode 158.
  • the carbon dioxide utilization system 100c may generate hydrogen and chlorine by utilizing carbon dioxide as a raw material using electrical energy supplied from the power source 1400.
  • Electrolyte solution 172 is chloride ion (Cl -), such as sea water or salt water as an electrolyte an aqueous solution containing, in the present embodiment will be described to be a sodium chloride (NaCl) aqueous solution.
  • the electrolyte solution 172 in accordance with the sodium cation (Na +) and chloride anions (Cl -) will include.
  • the cathode 118 is at least partially immersed in the aqueous electrolyte solution 172 in the reaction space 171.
  • the cathode 118 is electrically connected to the negative electrode of the power source 1400 to receive electrons from the power source 1400.
  • the cathode 118 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, all other catalysts that can be generally used as a hydrogen generation reaction catalyst, such as a carbon-based catalyst, a carbon-metal-based composite catalyst, and a perovskite oxide catalyst, are also included.
  • a hydrogen evolution reaction (HER) by a reduction reaction occurs.
  • the hydrogen outlet is preferably located above the cathode 115 of the reaction space so that it is positioned above the water surface of the aqueous electrolyte solution 343. Hydrogen generated in the carbon dioxide utilization system 100c is discharged through the hydrogen outlet.
  • the anode 158 is at least partially immersed in the aqueous electrolyte solution 172 in the reaction space 171.
  • the anode 158 is electrically connected to the positive electrode of the power source 1400 to supply electrons to the power source 1400.
  • the anode 158 is vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), aluminum (Al) or zinc. It is explained that (Zn) is used.
  • the anode 158 may additionally 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.
  • the carbon dioxide supplied to the reaction chamber (171) (CO 2) is water (H 2 O) and hydrogen cations (H +) and bicarbonate via spontaneous chemical reaction solvent of the electrolyte solution (172) (HCO 3 -) is Is generated.
  • the reaction of [Reaction Scheme 2] acidifies the aqueous electrolyte solution.
  • hydrogen cations (H + ) receive electrons (e ⁇ ) from the cathode 118, and hydrogen (H 2 ) gas is generated.
  • Hydrogen generation reaction occurring in the cathode 118 basicizes the aqueous electrolyte solution 172.
  • the generated hydrogen (H 2 ) gas can be discharged to the outside through a hydrogen discharge portion.
  • the sodium chloride (NaCl) aqueous solution is used as the aqueous electrolyte solution 172, but instead of the sodium chloride aqueous solution, a solution containing other cations such as potassium chloride (KCl) aqueous solution or calcium chloride (CaCl 2 ) aqueous solution may be used. In this case, carbonates corresponding thereto may be generated.
  • KCl potassium chloride
  • CaCl 2 calcium chloride
  • the carbon dioxide utilization system 100c adjusts the amount of chlorine generated at the anode so that the amount of carbon dioxide dissolved in the aqueous electrolyte solution 172 is maintained at a set value or higher, so that the pH of the aqueous electrolyte solution 172 is set. It can be maintained above.
  • the pH of the aqueous electrolyte solution 343 does not change, and carbon dioxide is not further dissolved.
  • the combined power generation system 10 using evaporation gas may be installed on a ship.
  • the carbon dioxide utilization system 100 included in the combined power generation system 10 using evaporation gas uses the carbon dioxide generated by the ship's driving device to produce hydrogen.
  • the carbon dioxide generated from the ship's driving system it is possible to reduce or remove carbon dioxide, which is a greenhouse gas generated during the operation of the ship, and to produce hydrogen, an eco-friendly fuel.
  • the hydrogen produced as described above is supplied to the ship's driving device to improve the output of the driving device. Accordingly, it is possible to reduce fuel required to propel the ship.
  • the driving device may be a dual fuel engine using at least one of light oil and natural gas as fuel.
  • the carbon dioxide utilization system 100 generates electric energy in the discharge process, and generates hydrogen gas by using the carbon dioxide gas generated in the heat engine 2200 as a raw material in the discharge process.
  • the electric energy produced by the carbon dioxide utilization system 100 is used as a propulsion power of the ship, and the hydrogen gas generated from the carbon dioxide utilization system 100 is supplied as an energy source of the heat engine 2200 or stored in a hydrogen storage device 2300. do.
  • the configuration of the carbon dioxide utilization system 100 is the same as that described in the embodiment according to FIG. 1, and the reaction process is also the same as [Scheme 1] to [Scheme 7], so detailed description thereof will be omitted.
  • the hydrogen storage device 2300 stores hydrogen generated in the carbon dioxide utilization system 100 for later use.
  • FIG. 11 is a schematic block diagram of a ship propulsion power production system 20a using carbon dioxide according to another embodiment of the present technology.
  • a ship propulsion power production system 20a using carbon dioxide burns fossil fuel to produce mechanical energy used as a propulsion power of a ship and heat engine 2200 to discharge carbon dioxide as a by-product, from hydrocarbons.
  • Hydrogen is produced by using reformer (1220) that produces hydrogen-rich reformed gas and generates carbon dioxide as a by-product, and carbon dioxide emitted from the heat engine (2200) and reformer (1220) to produce electrical energy used as a propulsion power of the ship.
  • Electrical energy used as a propulsion power of a ship by using hydrogen generated in the carbon dioxide utilization system 100 and carbon dioxide utilization system 100 generated in the discharge process and reformed gas produced in the reformer 1220 as raw materials. It includes a fuel cell 2400 to produce.
  • the heat engine 2200 burns fossil fuel to produce mechanical energy used as a propulsion power of the ship and generates carbon dioxide in the process of burning fossil fuels.
  • the heat engine 2200 includes all types of combustion engines that produce mechanical energy by burning fossil fuels such as diesel engines mainly used for ships.
  • the mechanical energy produced by the heat engine 2200 is used as a propulsion power of the ship, and the carbon dioxide generated by the heat engine 2200 is supplied to the carbon dioxide utilization system 100 for hydrogen production.
  • Hydrogen produced in the methane-steam reformer 1220 is supplied as fuel for the fuel cell 2400.
  • the methane-steam reformer 1220 has many advantages described above, but as can be seen in [Scheme 8], it is necessary to supply water vapor from the outside for the operation of the process, and global warming as a by-product of hydrogen production. There is a problem that carbon dioxide, which is a main cause of environmental problems, is forced to be generated. However, in the case of the present technology, carbon dioxide generated in the methane-steam reformer 1220 is released into the atmosphere or transferred to a separate carbon dioxide capture and storage process, instead of producing hydrogen in the process of discharging the carbon dioxide utilization system 100 as shown. In order to be delivered to the carbon dioxide utilization system 100, the problem of carbon dioxide generation, which is a necessary evil in the operation of the methane-steam reformer, can be solved.
  • the fuel cell 2400 receives hydrogen contained in the reformed gas produced in the reformer 1220 and hydrogen generated in the carbon dioxide utilization system 100 as raw materials to produce electric energy used as a propulsion power of the ship.
  • the configuration of the cathode 150 and anode 150 of the carbon dioxide utilization system 100 is the same as the corresponding configuration of the carbon dioxide utilization system 100 described in the embodiment according to FIG. Since it is the same as Scheme 1] to [Scheme 7], detailed description thereof will be omitted.
  • the carbon dioxide utilization system 100d includes a cathode part 110d, an anode part 150d, a connection part 190d connecting the cathode part 110d and the anode part 150d, a carbon dioxide processing part 200d, It includes a carbon dioxide circulation supply unit (240d), and the cathode (110d) and the connecting pipe (210d) for communicating the carbon dioxide processing unit (200d).
  • the configuration of the carbon dioxide utilization system 100d and the carbon dioxide processing unit 200d includes the corresponding configurations of the carbon dioxide utilization system 100 described in the embodiment according to FIG. 1 and the carbon dioxide processing unit 200 described in the embodiment according to FIG. 3. Since it is the same, detailed description thereof will be omitted.
  • the carbon dioxide utilization system 100e includes a cathode portion 110e, an anode portion 150e, and a connecting portion 190e connecting the cathode portion 110e and the anode portion 150e.
  • the configuration of the carbon dioxide utilization system 100e is the same as the corresponding configuration of the carbon dioxide utilization system 100 described in the embodiment according to FIG. 1, so a detailed description thereof will be omitted.
  • the connection part 190e includes a connection passage 191e connecting the cathode part 110e and the anode part 150e, and an ion exchange membrane 192e installed inside the connection passage 191e.
  • the connection passage 191e extends between the first connector 114e formed in the cathode portion 110e and the second connector 154e formed in the anode portion 150e so that the first reaction space 111e of the cathode portion 110e ) And the second reaction space 151e of the anode portion 150e are communicated.
  • the ion exchange membrane 192e is installed inside the connection passage 191e.
  • the carbon dioxide utilization system 100g includes a cathode part 110g, an anode part 150g, and a connecting part 190g connecting the cathode part 110g and the anode part 150g. Since the cathode portion 110g and the anode portion 150g are the same as the corresponding configurations of the embodiment illustrated in FIG. 13, detailed descriptions thereof will be omitted.
  • connection part 190g includes a connection passage 191g connecting the cathode part 110g and the anode part 150g, and an ion exchange membrane 192g installed inside the connection passage 191g.
  • the ion exchange membrane (192g) it is described that a fluorine resin-based cation exchange membrane developed by DuPont, USA, Nafion is used, but the present technology is not limited thereto, and the hydroxide ion ( all as long as it is possible that only) movement of the - OH. Hydroxide ions by an ion exchange membrane (192g) (OH -) is written doemeu pass from the cathode part (110g) to the anode portion (150g) is solved for ion imbalance caused in the discharge process.
  • the carbon dioxide utilization system 100i includes a cathode part 110i, an anode part 150i, and a salt bridge 190i connecting the cathode part 110i and the anode part 150i. do.
  • the carbon dioxide utilization system 100i uses the carbon dioxide gas (CO 2 ), which is a greenhouse gas, as a raw material in the discharge process to produce hydrogen (H 2 ), which is an eco-friendly fuel. Since the cathode portion 110g and the anode portion 150g are the same as the corresponding configurations of the embodiment illustrated in FIG. 13, detailed descriptions thereof will be omitted.
  • the salt bridge 190i has both ends immersed in the first aqueous solution 115i and the second aqueous solution 155i, respectively.
  • a commonly used internal solution of the salt bridge may be used, such as potassium chloride (KCl) and sodium chloride (NaCl).
  • HCO 3 ⁇ (bicarbonate ions) is generated in the first aqueous solution 115i.
  • the internal solution of the salt bridge 190i contains sodium ions (Na + ) such as sodium chloride (NaCl)
  • Na + sodium ions
  • NaCl sodium chloride
  • the ionic balance is balanced.
  • sodium ions are diffused from the salt bridge 190i and exist as ions in the form of an aqueous sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ) solution.
  • NaHCO 3 aqueous sodium hydrogen carbonate
  • the carbon dioxide utilization system 100k includes a reaction vessel providing a reaction space 171k therein, an aqueous aqueous electrolyte solution 172k contained in the reaction space 171k, and an aqueous aqueous electrolyte solution in the reaction space 171k ( 172k), a cathode (118k) at least partially submerged, and an anode (158k) at least partially submerged in the aqueous electrolyte solution (172k) in the reaction space (171k).
  • the carbon dioxide utilization system 100k uses the carbon dioxide gas (CO 2 ), which is a greenhouse gas, as a raw material in the discharge process to produce hydrogen (H 2 ), which is an eco-friendly fuel. Since the carbon dioxide utilization system 100k is the same as the corresponding configuration of the embodiment shown in FIG. 7, detailed description thereof will be omitted.
  • CO 2 carbon dioxide gas
  • H 2 hydrogen
  • FIG. 21 is a schematic block diagram of a power generation system for a submarine using a fuel cell according to an embodiment of the present technology.
  • a power generation system 30 for a submarine using a fuel cell 2400 according to an embodiment of the present technology produces hydrogen-rich reformed gas from fuel for fuel cells such as methanol and generates carbon dioxide as a by-product.
  • the carbon dioxide utilization device is capable of producing electricity, hydrogen, and bicarbonate ions by using carbon dioxide through voluntary electrochemical reaction without an external power source, and is combined with a fuel cell system or other device to remove carbon dioxide, which is a greenhouse gas emitted. And by producing hydrogen, which is a clean energy source, and supplying it to a fuel cell, it is possible to realize an eco-friendly complex power generation system without carbon dioxide. In addition, it can be applied to ships or submarines to remove carbon dioxide generated during operation or to be useful for power generation.

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Abstract

본 기술은 외부 전원 없이 자발적 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 활용하여, 전기, 수소 및 중탄산이온을 생산하고, 대형화가 가능한 이산화탄소 활용 시스템에 관한 것이다. 본 기술에 의하면 앞서서 기재한 본 기술의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 다양한 금속을 사용하여 별도의 외부 전원 없이 자발적 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 활용하여, 전기, 수소 및 중탄산이온을 생성할 수 있다. 아울러, 상기 이산화탄소 활용 시스템은 복수의 다공성 이온 전달 부재가 착탈 가능하도록 설치되는 분리막 프레임 부재를 구비함으로써, 상기 이산화탄소 활용 시스템을 대형화할 경우 다공성 이온 전달 부재의 제조와 유지 보수의 효율성 및 경제성을 높일 수 있다. 또한, 이산화탄소 활용 시스템을 연료전지 시스템 또는 기타 장치와 결합하여 이들 장치에서 배출되는 온실가스인 이산화탄소를 제거하고 청정에너지원인 수소를 생산하여 이를 연료전지에 공급함으로써, 이산화탄소 발생이 없는 친환경 복합 발전 시스템을 구현할 수 있다. 또한, 선박 또는 잠수함에 적용되어 운항 시 발생하는 이산화탄소를 제거 또는 동력 생산에 유용하게 이용될 수 있다.

Description

이산화탄소 활용 시스템 및 이를 활용한 복합 시스템
본 기술은 외부 전원 없이 자발적 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 활용하여, 전기, 수소 및 중탄산이온을 생산하는 이산화탄소 활용 시스템 및 이를 활용한 복합 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, 바이오 공정, 광활용, 무기(탄산)화, 폴리머 등으로 구분 지을 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 (Carbon Capture & 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 실현에는 보완 사항이 많다. 따라서, 보다 효율적으로 이산화탄소 포집, 저장 및 활용하는 새로운 개념의 한계돌파형(breakthrough) 기술 개발이 요구되고 있다.
한편, 일반적으로 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)는 천연가스의 저장 밀도 문제로 천연가스를 액화상태로 저장한다. 천연가스는 영하 163℃의 초저온 상태로 LNG 저장탱크에 저장되어 있기 때문에 LNG 저장탱크 내에서는 항시 가스가 증발하고 있다. 이렇게 증발하는 가스를 증발가스(Boil Off Gas, BOG)라 한다. LNG 저장탱크는 외부의 열을 차단하기 위하여 방열재 등으로 싸여 있으나 100%로 열을 차단하는 것은 기술적으로 어렵기 때문에 상당한 양의 천연가스가 기화된다. 이러한 BOG는 LNG 저장탱크가 폭발하는 것을 방지하기 위해 압축기로 인출되어 재액화 처리한 후 저장탱크로 다시 보내거나 BOG의 양이 많을 경우에는 압력조절밸브를 이용하여 저장탱크 외부로 배출한다. LNG를 운반하는 선박의 경우 기화된 BOG를 연료로 사용하거나, 재액화하거나, 소각하는 방법을 사용하는데, 이러한 방법들은 모두 효율이 높지않거나 경제성이 떨어진다.
특히, 선박은 차량 디젤유보다 약 3500배 많은 황을 함유하는 벙커씨유와 같이 저질의 원료를 사용하는 디젤엔진을 통해 추진동력을 주로 얻기 때문에, 종래의 선박에서는 다량의 이산화탄소가 배출된다는 문제가 있다. 최근에는 선박의 이산화탄소 배출량을 제한하는 규제가 마련되고 있는 실정이다.
이에 따라, LNG 저장시설 또는 LNG 운반용 선박에서 발생하는 BOG를 연료로 사용하여 자원을 효율적으로 이용하고, 동시에 배출되는 온실가스인 이산화탄소를 감소시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
또한, 최근 정숙성 및 효율성이 뛰어난 연료전지를 잠수함의 동력원으로 이용하고자 하는 기술의 개발이 이루어지고 있다. 잠수함에서 사용되는 연료전지의 경우, 수소 저장의 한계로 인해 메탄올과 같은 연료를 개질기를 통해 개질하여 수소를 연료전지에 공급하는 방식이 사용되는데, 개질과정에서 부산물로서 발생하는 이산화탄소의 처리가 문제되고 있다. 잠수함의 연료전지 시스템에서 개질과정에서 발생하는 이산화탄소가 잠수함 외부로 그대로 배출되면 군사용 잠수함의 경우 잠수함의 위치가 노출될 위험이 있다. 또한, 수압이 높은 깊은 수심에서 이산화탄소를 잠수함 외부로 배출하는 것 자체도 기술적으로 어렵다.
본 기술의 목적은 별도의 전원을 이용하지 않고 자발적 전기화학 반응을 통해 온실가스인 이산화탄소를 활용하는 시스템을 제공하는 것이다.
본 기술의 다른 목적은 다공성 이온 전달 부재의 제조, 설치 및 유지 보수의 효율성 및 경제성을 높은 이산화탄소 활용 시스템을 제공하는 것이다.
본 기술의 또 다른 목적은 이산화탄소를 활용하여 친환경 연료인 수소를 고순도로 생산할 수 있는 이산화탄소 활용 시스템을 제공하는 것이다.
본 기술의 또 다른 목적은 이산화탄소를 중탄산이온으로 포집할 수 있는 이산화탄소 활용 시스템을 제공하는 것이다.
본 기술의 또 다른 목적은 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)에서 발생하는 증발가스(Boil Off Gas, BOG)를 이용하는 연료전지 시스템과 이산화탄소를 활용하여 수소를 생산하고 생산된 수소를 상기 연료전지 시스템으로 공급하는 이산화탄소 활용 시스템을 결합한, 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템을 제공하는 것이다.
본 기술의 또 다른 목적은 화석연료를 사용하면서 이산화탄소의 배출량을 저감시키는 선박용 추진동력 생산 시스템을 제공하는 것이다.
본 기술의 또 다른 목적은 화석연료를 연소시켜서 동력을 생산하는 열기관에서 배출되는 이산화탄소를 이용하여 수소를 생산하고 동력 생산에 활용하는 선박용 추진동력 생산 시스템을 제공하는 것이다.
본 기술의 또 다른 목적은 연료전지를 이용한 잠수함용 동력 생산 시스템에서, 이산화탄소가 잠수함 외부로 배출되는 것을 방지하는 잠수함용 동력 생산 시스템을 제공하는 것이다.
본 기술의 또 다른 목적은 연료전지를 이용한 잠수함용 동력 생산 시스템에서, 개질과정에서 발생하는 이산화탄소를 활용하여 효율이 향상된 잠수함용 동력 생산 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 일 측면에 따르면, 제1 반응 공간, 제1 수용액 및 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠기는 캐소드를 포함하는 캐소드부; 제2 반응 공간, 염기성인 제2 수용액 및 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠기는 금속의 애노드를 포함하는 애노드부; 및 상기 캐소드부와 애노드부를 연결하는 연결부;를 포함하며, 상기 제1 수용액으로 유입된 이산화탄소를 중탄산이온으로 포집하고 수소이온을 생성하고, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 반응하여 수소를 생산하고, 상기 연결부는 분리막 프레임 부재를 구비하고, 상기 분리막 프레임 부재는 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액의 이동은 차단하고 이온의 이동은 허용하는 복수의 다공성 이온 전달 부재가 착탈 가능하도록 설치되는, 이산화탄소 활용 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 다른 일 측면에 따르면, 액화천연가스(LNG)를 저장하는 저장부, 상기 저장부에 저장된 액화천연가스(LNG)에서 발생하는 증발가스(BOG)를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템 및 이산화탄소를 활용하여 수소를 생산하고, 생산된 수소를 상기 연료전지 시스템으로 공급하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하는, 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 일 측면에 따르면, 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 배출하는 열기관; 및 선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와,제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액의 이동은 차단하고 이온의 이동은 허용하는 다공성 구조의 이온 전달 부재를 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 제1 수용액으로 상기 열기관으로부터 배출되는 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하는 선박용 추진동력 생산 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 측면에 따르면, 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 배출하는 열기관; 및 선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간에 수용되는 제1 수산화칼륨 수용액과, 상기 제1 수산화칼륨 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간에 수용되는 제2 수산화칼륨 수용액과, 상기 제2 수산화칼륨 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수산화칼륨 수용액과 상기 제2 수산화칼륨 수용액의 이동은 차단하고 이온의 이동은 허용하는 이온 교환 멤브레인을 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로 상기 열기관으로부터 배출되는 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 제1 수산화칼륨 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하는 선박용 추진동력 생산 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 일 측면에 따르면, 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 배출하는 열기관; 및 선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액을 연결하는 염다리를 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 제1 수용액으로 상기 열기관으로부터 배출되는 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하는 선박용 추진동력 생산 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 일 측면에 따르면, 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 배출하는 열기관; 및 선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템은, 반응 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 애노드를 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수계 전해질로 상기 열기관으로부터 배출되는 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 수계 전해질의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하는 선박용 추진동력 생산 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 일 측면에 따르면, 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기; 방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 기체를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템는, 제1 반응 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액의 이동은 차단하고 이온의 이동은 허용하는 다공성 구조의 이온 전달 부재를 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전 과정에서 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하는 잠수함용 동력 생산 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 측면에 따르면, 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기; 방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템는, 제1 반응 공간과, 상기 제1 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 제1 반응 공간과 상기 수용 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 반응 공간에서 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간과, 상기 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액 사이에 이온의 이동만을 허용하는 다공성 구조의 이온 전달 부재를 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수용 공간의 상기 제1 수용액으로 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되어서 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 제1 반응 공간에서 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하며, 상기 수용 공간의 상기 제1 수용액으로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 상기 수용 공간에서 상기 제1 수용액으로부터 분리되어서 상기 제1 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 잠수함용 동력 생산 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 측면에 따르면, 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기; 방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템는, 제1 반응 공간에 수용되는 제1 수산화칼륨 수용액과, 상기 제1 수산화칼륨 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간에 수용되는 제2 수산화칼륨 수용액과, 상기 제2 수산화칼륨 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수산화칼륨 수용액과 상기 제2 수산화칼륨 수용액 사이에 이온의 이동만을 허용하는 이온 교환 멤브레인을 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 제1 수산화칼륨 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하는 잠수함용 동력 생산 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 측면에 따르면, 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소기체를 발생시키는 개질기; 방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템는, 제1 반응 공간과, 상기 제1 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 제1 반응 공간과 상기 수용 공간에 수용되는 제1 수산화칼륨 수용액과, 상기 제1 반응 공간에서 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간과, 상기 제2 반응 공간에 수용되는 제2 수산화칼륨 제2 수용액과, 상기 제2 수산화칼륨 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수산화칼륨 수용액과 상기 제2 수산화칼륨 수용액 사이에 이온의 이동만을 허용하는 이온 교환 멤브레인을 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수용 공간의 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되어서 상기 제1 수산화칼륨 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 제1 반응 공간에서 상기 수소 이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하며, 상기 수용 공간의 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 상기 수용 공간에서 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로부터 분리되어서 상기 제1 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 잠수함용 동력 생산 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 측면에 따르면, 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기; 방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템는, 제1 반응 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액을 연결하는 염다리를 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 제1 수용액으로 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하는 잠수함용 동력 생산 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 측면에 따르면, 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기; 방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템는, 제1 반응 공간과, 상기 제1 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 제1 반응 공간과 상기 수용 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 반응 공간에서 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간과, 상기 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액을 연결하는 염다리를 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수용 공간의 상기 제1 수용액으로 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되어서 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 제1 반응 공간에서 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하며, 상기 수용 공간의 상기 제1 수용액으로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 상기 수용 공간에서 상기 제1 수용액으로부터 분리되어서 상기 제1 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 잠수함용 동력 생산 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 측면에 따르면, 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기; 방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템는, 반응 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 애노드를 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수계 전해질로 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 수계 전해질의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하는 잠수함용 동력 생산 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 측면에 따르면, 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기; 방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템는, 반응 공간과, 상기 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 반응 공간 상기 수용 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 애노드를 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수용 공간의 상기 수계 전해질로 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되어서 상기 수계 전해질의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 반응 공간에서 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하며, 상기 수용 공간의 상기 수계 전해질로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 상기 수용 공간에서 상기 수계 전해질로부터 분리되어서 상기 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 잠수함용 동력 생산 시스템이 제공된다.
본 기술에 의하면 앞서서 기재한 본 기술의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 다양한 금속을 사용하여 별도의 외부 전원 없이 자발적 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 활용하여, 전기, 수소 및 중탄산이온을 생성할 수 있다.
아울러, 상기 이산화탄소 활용 시스템은 복수의 다공성 이온 전달 부재가 착탈 가능하도록 설치되는 분리막 프레임 부재를 구비함으로써, 상기 이산화탄소 활용 시스템을 대형화할 경우 다공성 이온 전달 부재의 제조와 유지 보수의 효율성 및 경제성을 높일 수 있다.
또한, 액화천연가스에서 발생하는 증발가스를 이용하여 연료전지 시스템을 구동시킴으로써, 버려지는 증발가스를 전기를 생산하는데 사용할 수 있다.
또한, 이산화탄소 활용 시스템을 결합하여 연료전지 시스템 또는 기타 장치에서 배출되는 온실가스인 이산화탄소를 제거하고 청정에너지원인 수소를 생산하여 이를 연료전지에 공급함으로써, 이산화탄소 발생이 없는 친환경 복합 발전 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 화석연료를 연소시켜서 추진동력을 생산하는 열기관에서 배출되는 이산화탄소를 활용하여 방전과정에서 수소를 발생시키고 추진동력으로 이용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 구비하고, 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소가 열기관의 에너지원으로 공급되거나 연료전지의 연료로 공급됨으로써, 선박의 이산화탄소 배출량이 현저하게 줄어들 수 있다.
또한, 본 기술에 의하면 앞서서 기재한 본 기술의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 연료전지를 이용한 잠수함용 동력 생산 시스템에서, 방전과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 개질기로부터 배출되는 이산화탄소를 원료로 하여 연료전지로 공급되는 수소를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템를 구비하므로, 잠수함에서 이산화탄소의 배출이 방지되고, 잠수함의 동력 생산 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 작동 과정을 도시한 것이다.
도 2는 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 분리막 프레임 부재와 다공성 이온 전달 부재의 구성을 도시한 것이다.
도 3은 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소 처리부를 포함하는 이산화탄소 활용 시스템의 작동 과정을 도시한 것이다.
도 4는 본 기술에 따른 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 5는 본 기술의 일 실시예에 따른 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 6은 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 작동 과정을 도시한 모식도이다.
도 7은 본 기술의 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 작동 과정을 도시한 모식도이다.
도 8은 본 기술의 다른 일 실시예에 따른 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 9는 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 작동 과정을 도시한 모식도이다.
도 10은 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용하는 선박용 추진동력 생산 시스템의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 11은 본 기술의 다른 실시예에 따른 이산화탄소를 이용하는 선박용 추진동력 생산 시스템의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 12는 도 10과 도 11에 도시된 이산화탄소 활용 시스템의 일 실시예에 대한 도면으로서, 방전 과정을 설명하는 모식도이다.
도 13은 도 10과 도 11에 도시된 이산화탄소 활용 시스템의 다른 일 실시예에 대한 도면으로서, 방전 과정을 설명하는 모식도이다.
도 14는 도 10과 도 11에 도시된 이산화탄소 활용 시스템의 또 다른 일 실시예에 대한 도면으로서, 방전 과정을 설명하는 모식도이다.
도 15는 도 10과 도 11에 도시된 이산화탄소 활용 시스템의 또 다른 일 실시예에 대한 도면으로서, 방전 과정을 설명하는 모식도이다.
도 16은 도 10과 도 11에 도시된 이산화탄소 활용 시스템의 또 다른 일 실시예에 대한 도면으로서, 방전 과정을 설명하는 모식도이다.
도 17은 도 10과 도 11에 도시된 이산화탄소 활용 시스템의 또 다른 일 실시예에 대한 도면으로서, 방전 과정을 설명하는 모식도이다.
도 18은 도 10과 도 11에 도시된 이산화탄소 활용 시스템의 또 다른 일 실예에 대한 도면으로서, 방전 과정을 설명하는 모식도이다.
도 19는 도 10과 도 11에 도시된 이산화탄소 활용 시스템의 또 다른 일 실시예에 대한 도면으로서, 방전 과정을 설명하는 모식도이다.
도 20은 도 10과 도 11에 도시된 이산화탄소 활용 시스템의 또 다른 일 실시예에 대한 도면으로서, 방전 과정을 설명하는 모식도이다.
도 21은 본 기술의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용하는 잠수함용 동력 생산 시스템의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 기술의 실시예의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템의 구성이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100)은 캐소드부(110)와, 애노드부(150)와, 캐소드부(110)와 애노드부(150)를 연결하는 연결부(190)를 포함한다. 이산화탄소 활용 시스템(100)은 자발적 산화환원 반응 과정에서 온실가스인 이산화탄소 기체(CO2)를 원료로 사용하며, 친환경 연료인 수소(H2)를 생산한다.
캐소드부(110)는 제1 반응 공간(111)에 담긴 제1 수용액(115)과, 제1 수용액(115)에 적어도 일부가 잠기는 캐소드(cathode)(118)를 구비한다. 제1 수용액(115)으로는 알칼리성 수용액(본 실시예에서는 1M KOH의 강 염기성 용액에서 CO2를 용리시킨 것이 사용됨), 해수, 수돗물 및 증류수 등이 사용될 수 있다. 캐소드(118)는 전기 회로를 형성하기 위한 전극으로서, 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 산소발생반응(HER) 촉매로 사용될 수 있는 다른 모든 촉매도 포함된다. 캐소드부(110)에는 제1 반응 공간(111)과 연통되는 제1 유입구(112)와 제1 배출구(113)가 형성된다. 제1 유입구(112)는 제1 수용액(115)의 수면보다 아래에 위치하도록 제1 반응 공간(111)의 하부에 위치한다. 제1 배출구(113)는 제1 수용액(115)의 수면보다 위에 위치하도록 제1 반응 공간(111)의 상부에 위치한다. 제1 유입구(112)를 통해 반응 과정에서 연료로 사용되는 이산화탄소가 제1 반응 공간(111)으로 유입되는데, 필요 시 제1 수용액(115)도 유입될 수 있다. 제1 배출구(113)를 통해서는 반응 과정에서 생성된 가스가 외부로 배출된다. 도시되지는 않았으나, 유입구(112)와 배출구(113)는 충전 및 반응시 밸브 등에 의해 선택적으로 적절히 시기에 맞춰서 개폐될 수 있다. 캐소드부(110)에서는 반응 과정에서 이산화탄소 용리 반응이 일어난다.
애노드부(150)는 제2 반응 공간(151)에 담긴 제2 수용액(155)과, 제2 수용액(155)에 적어도 일부가 잠기는 애노드(anode)(158)를 구비한다. 제2 수용액(155)으로는 고농도의 알칼리 용액이 사용되는데, 예를 들어, 1M KOH 또는 6M KOH가 사용될 수 있다. 애노드(158)는 전기 회로를 이루는 금속 재질의 전극으로서, 본 실시예에서는 애노드(158)로 아연(Zn) 또는 알루미늄(Al)이 사용되는 것으로 설명한다. 또한, 애노드(158)로는 아연 또는 알루미늄을 포함하는 합금이 사용될 수도 있다.
연결부(190)는 캐소드부(110)와 애노드부(150)를 연결하는 연결 통로(191)와, 연결 통로(191)의 내부에 설치되는 분리막 프레임 부재(192)를 구비한다.
연결 통로(191)는 캐소드부(110)에 형성된 제1 연결구(114)와 애노드부(150)에 형성된 제2 연결구(154)의 사이에 연장되어서 캐소드부(110)의 제1 반응 공간(111)과 애노드부(150)의 제2 반응 공간(151)을 연통시킨다. 연결 통로(191)의 내부에 분리막 프레임 부재(192)가 설치된다.
분리막 프레임 부재(192)는 대체로 디스크 형상으로서 연결 통로(191)의 내부를 막는 형태로 설치된다. 분리막 프레임 부재(192)에는 다공성 이온 전달 부재(193)가 착탈 가능하도록 설치된다.
상기 다공성 이온 전달 부재(193)는 다공성 구조로 이루어져서 캐소드부(110)와 애노드부(150)의 사이에 이온의 이동은 허용하면서, 수용액(115, 155)의 이동은 차단한다. 또한, 상기 다공성 이온 전달 부재(193)는 도 2에 도시한 바와 같이, 분리막 프레임 부재(192)에 여러 개가 복수로 설치될 수 있다. 이산화탄소 활용 시스템(100)을 대형화 할 경우에도 이와 같이 일정한 크기의 다공성 이온 전달 부재(193)가 복수로 분리되어 설치될 수 있어, 연결부의 면적을 용이하게 확장할 수 있고, 다공성 이온 전달 부재(193)의 제조, 교체 및 유지 보수의 효율성과 경제성을 높일 수 있다. 상기 다공성 이온 전달 부재(193)는 재질이 유리일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 다공성 구조를 형성하는 다른 재질도 사용될 수 있다. 이 또한 본 기술의 범위에 속하는 것이다.
본 실시예에서 다공성 이온 전달 부재(193)는 기공 크기가 G0 등급(grade)에 해당하는 160 내지 250 미크론(micron) G1 등급에 해당하는 100 내지 160 미크론, G2 등급에 해당하는 40 내지 100 미크론, G3 등급에 해당하는 16 내지 40 미크론, G4 등급에 해당하는 5 내지 16 미크론, G5에 해당하는 1 내지 5 미크론인 다공성 유리가 사용될 수 있으며, 용액의 투과가 적은 G3 등급 내지 G5 등급의 1 내지 40 미크론인 다공성 유리를 사용하는 것이 바람직하다. 다공성 이온 전달 부재(193)는 이온만 전달시킴으로써 반응 과정에서 생기는 이온 불균형을 해소하게 된다.
이제, 위에서 구성 중심으로 설명된 이산화탄소 활용 시스템(100)의 반응 과정이 상세하게 설명된다. 도 1에는 이산화탄소 활용 시스템(100)의 반응 과정이 함께 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 유입구(112)를 통해 제1 수용액(115)으로 이산화탄소가 주입되며, 캐소드부(110)에서는 다음 [반응식 1]과 같은 이산화탄소의 화학적 용리 반응이 이루어진다.
[반응식 1]
H2O(l) + CO2(g) → H+(aq) + HCO3 -(aq)
즉, 캐소드부(110)에서는 캐소드부(110)에 공급된 이산화탄소(CO2)가 제1 수용액(115)의 물(H2O)과 자발적인 화학반응을 통해 수소 양이온(H+)과 중탄산염(HCO3 -)이 생성된다.
또한, 캐소드부(110)에서는 다음 [반응식 2]와 같은 전기적 반응이 이루어진다.
[반응식 2]
2H+(aq) + 2e- → H2(g)
즉, 캐소드부(110)에서 수소 양이온(H+)은 전자(e-)를 받아서 수소(H2)기체가 발생하게 된다. 발생된 수소(H2)기체는 제1 배출구(113)를 통해서 외부로 배출된다.
아울러, 캐소드부(110)에서는 다음 [반응식 3]과 같은 복합 수소발생 반응이 이루어진다.
[반응식 3]
2H2O(l) + 2CO2(g) + 2e- → H2(g) + 2HCO3 -(aq)
그리고, 애노드부(150)에서는 애노드(158)가 아연(Zn)인 경우에 다음 [반응식 4]와 같은 산화 반응이 이루어진다.
[반응식 4]
Zn + 4OH- → Zn(OH)4 2- + 2e- (E0 = -1.25V)
Zn(OH)4 2- → ZnO + H2O + 2OH-
결국, 애노드(158)가 아연(Zn)인 경우에 반응 과정에서 이루어지는 전체 반응식은 다음 [반응식 5]와 같다.
[반응식 5]
Zn + 2CO2 + 2H2O + 2OH- → ZnO + 2HCO3 -(aq) + H2(g) (E0 = 1.25V)
만일, 애노드부(150)에서 애노드(158)가 알루미늄(Al)인 경우에 다음 [반응식 6]과 같은 산화 반응이 이루어진다.
[반응식 6]
Al + 3OH- → Al(OH)3 + 3e- (E0 = -2.31V)
결국, 애노드(158)가 알루미늄(Al)인 경우에 반응 과정에서 이루어지는 전체 반응식은 다음 [반응식 7]과 같다.
[반응식 7]
2Al + 6CO2 + 6H2O + 6OH- → 2Al(OH)3 + 6HCO3 -(aq) + 3H2(g) (E0 = 2.31V)
결과적으로, [반응식 5]와 [반응식 7]을 통해 알 수 있는 바와 같이, 반응 시 제1 수용액(115)에서 용리된 이산화탄소에 의해 생성된 수소 이온이 캐소드(118)로부터 전자를 받아서 수소 기체로 환원되어서, 제1 배출구(113)를 통해 배출되고, 금속 애노드(158)는 산화물의 형태로 변하게 된다. 반응이 진행되면서 제1 수용액(115)에는 HCO3 -(중탄산이온)이 생성되는데, 이에 나트륨 이온을 첨가하여 건조하면 베이킹소다 형태의 탄산나트륨 고체 생성물을 부가적으로 획득할 수 있게 된다.
도 3은 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소 처리부(200)을 포함하는 이산화탄소 활용 시스템의 반응 과정을 도시한 것이다. 도 3을 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100)은 이산화탄소 처리부(200)를 더 포함할 수 있다. 상기 이산화탄소 처리부(200)는 캐소드부(110)의 제1 수용액(115) 또는 반응 공간(161)의 수용액(162)과 동일한 수용액을 구비한다. 상기 이산화탄소 처리부(200)는 캐소드부(110) 또는 반응 공간(161)과 이산화탄소 처리부(200)를 연통시키는 연결관(210), 이산화탄소가 유입되는 제2 유입구(220), 상부에 위치하는 제2 배출구(230) 및 이산화탄소 순환 공급부(240)를 포함할 수 있다.
제2 유입구(220)는 이산화탄소 처리부(200)에서 연결관(210)보다 위에 위치하고, 제2 배출구(230) 및 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)의 수면보다 아래에 위치한다. 제2 유입구(220)를 통해 반응 과정에서 연료로 사용되는 이산화탄소 기체가 이산화탄소 처리부(200)으로 유입된다. 제2 유입구(220)를 통해 필요에 따라 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)도 공급될 수 있다. 제2 유입구(220)와 제1 배출구(113)는 반응시 밸브 등에 의해 선택적으로 적절한 시기에 맞춰서 개폐될 수 있다.
연결관(210)은 이산화탄소 처리부(200)에서 제2 유입구(220)보다 아래에 위치하며, 연결관(210)을 통해 이산화탄소 처리부(200)는 제1 반응 공간(111) 또는 반응 공간(161)과 연통된다.
제2 배출구(230)는 이산화탄소 처리부(200)에서 제2 유입구(220) 및 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)의 수면보다 위에 위치한다. 제2 배출구(230)를 통해 이산화탄소 처리부(200)에서 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체가 외부로 배출된다. 제2 배출구(230)를 통해 배출된 이산화탄소 가스는 이산화탄소 순환 공급부(240)를 통해 제2 유입구(220)로 공급된다.
이산화탄소 순환 공급부(240)는 제2 배출구(230)를 통해 배출되는 이산화탄소 가스를 제2 유입구(220)로 순환시켜서 재공급한다.
연결관(210)은 제1 반응 공간(111) 또는 반응 공간(161)의 제1 유입구(112)와 연결된다. 연결관(210)을 통해 제1 반응 공간(111) 또는 반응 공간(161)과 이산화탄소 처리부(200)가 연통된다.
제2 유입구(220)를 통해 이산화탄소 처리부(200)로 유입된 이산화탄소 중 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 제1 반응 공간(111) 또는 반응 공간(161)으로 이동하지 못하고 상승하여 이산화탄소 처리부(200) 내 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)의 수면 위 공간에 모인 후 제2 배출구(230)를 통해 배출되고 제2 배출구(230)를 통해 배출된 이산화탄소 기체는 이산화탄소 순환 공급부(240)에 의해 제2 유입구(220)를 통해 이산화탄소 처리부(200)로 공급되어서 재활용된다. 또한, 이산화탄소 처리부(200)로 유입된 이산화탄소 중 제1 수용액(115) 또는 수용액(162)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 제1 반응 공간(111) 또는 반응 공간(161)으로 이동하지 못하므로, 제1 배출구(113)를 통해서 이산화탄소가 섞이지 않은 고순도의 수소가 배출될 수 있다.
도 4는 본 기술의 일 실시예에 따른 증발가스(Boil Off Gas, BOG)를 이용하는 복합 발전 시스템(10)의 개략적인 블록도이다. 도 4를 참조하면, 상기 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템(10)은 액화천연가스(Liquefied Natural Gas,LNG)를 저장하는 저장부(1100), 상기 저장부(1100)에 저장된 액화천연가스에서 발생하는 증발가스를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템(1200) 및 상기 연료전지 시스템(1200)에서 발생하는 이산화탄소를 활용하여 수소를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템(100)을 포함한다.
본 기술의 일 실시예에 따른 상기 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템(10)은 액화천연가스를 저장하는 저장부(1100)에서 발생하는 증발가스를 연료전지 시스템(1200)의 연료로 이용하여 전기를 생성하고, 연료전지 시스템(1200)의 작동 시 발생하는 이산화탄소를 이산화탄소 활용 시스템(100)에 주입하여 산화환원 반응을 통해 수소를 생산하고, 생산된 수소를 상기 연료전지 시스템(1200)의 연료로 공급함으로써 자원의 이용 효율을 높이고 온실가스인 이산화탄소를 줄이기 위한 것이다.
상기 저장부(1100)는 천연가스의 저장 용량을 증가시키기 위해 액화된 상태로 천연가스를 저장한다. 상기 저장부(1100)에 저장되는 액화천연가스는 온도가 영하 163℃에 이를 수 있다. 상기 저장부는 초저온에 견딜 수 있는 소재를 사용하여 설계 및 시공된다. 상기 액화천연가스로부터 증발가스가 발생하며, 상기 증발가스는 상기 저장부(1100) 또는 배관을 통한 입열에 의해 발생하거나 액 층상화에 따른 대류 현상에 의해 발생한다. 본 기술에 따른 증발가스를 사용하는 복합 발전 시스템(10)은 상기 액화천연가스에서 발생하는 증발가스를 외부로 배출하거나 바로 연소시키지 않고 상기 연료전지 시스템(1200)에 공급하도록 구현될 수 있다.
상기 연료전지 시스템(1200)은 연료, 전해질 및 공기에 의한 전기화학 반응을 통해 전기를 생성할 수 있으며, 상기 연료에는 상기 증발가스 및/또는 수소가 포함된다. 상기 연료전지 시스템(1200)은 상기 저장부(1100)에서 발생하는 증발가스를 직접 공급받을 수 있도록 위하여 상기 저장부(1100)와 연료전지 시스템(1200)이 직접 연결될 수 있다. 상기 저장부(1100)에서 발생하는 증발가스는 송풍기(air blower), 임펠러(impeller) 또는 이송 펌프(transfer pump) 등을 통해 상기 연료전지 시스템(1200)으로 이동될 수 있다. 또는, 이와 별도로 저장부(1100)에서 발생하는 증발가스를 보관하는 증발가스 저장공간을 두고 이와 연결되도록 함으로써 증발가스를 공급할 수도 있다.
상기 연료전지 시스템(1200)은 상기 저장부(1100)에 저장된 액화천연가스로부터 생성되는 증발가스를 이용하여 전기를 생성한다. 상기 연료전지 시스템(1200)은 연료전지(1210)를 포함한다.
하나의 구체적인 실시예로, 상기 연료전지 시스템에 사용하는 연료전지(1210)는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 인산형 연료전지(PAFC) 및 직접탄소 연료전지(DCFC) 중 어느 하나 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 연료전지 시스템(1200)은 개질기(1220)를 더 포함할 수 있다. 상기 개질기(1220)는 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부가적으로 이산화탄소 가스를 발생시킨다. 개질기(1220)에 의해 개질되는 탄화수소로는 메탄(methane)(CH4), 에탄(ethane)(C2H6), 프로판(propane)(C3H8), 부탄(butane)(C4H10), 헥산(hexane)(C6H14), 헵탄(heptane)(C7H16), 옥탄(octane)(C8H18),노난(nonane)(C9H20), 데칸(decane)(C10H22) 중 어느 하나일 수 있다. 개질기(1220)에서 생산된 개질가스는 연료전지로 공급되고, 개질기(1220)에서 부가적으로 발생된 이산화탄소 가스는 이산화탄소 활용 시스템(100)으로 공급된다. 이를 위하여, 본 실시예에서는 개질기(1220)가 증발가스의 주성분인 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 8]은 메탄-수증기 개질기의 개질 반응에 관한 것이다.
[반응식 8]
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.
상기 이산화탄소 활용 시스템(100)은 연료전지 시스템(1200)의 연료전지(1210) 또는 개질기(1220)에서 발생하는 이산화탄소를 활용하여 수소를 생산한다. 생산된 수소는 상기 연료전지 시스템(1200)으로 공급되어 연료전지 시스템(1200)의 연료로 사용될 수 있다.
도 6에는 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100a)의 구성이 도시되어 있다. 도 6을 참조하면, 상기 이산화탄소 활용 시스템(100a)은 제1 반응 공간(111), 제1 수용액(115) 및 상기 제1 수용액(115)에 적어도 일부가 잠기는 캐소드(cathode)(118)를 포함하는 캐소드부(110), 제2 반응 공간(151), 염기성인 제2 수용액(155) 및 상기 제2 수용액(155)에 적어도 일부가 잠기는 금속의 애노드(anode)(158)를 포함하는 애노드부(150) 및 상기 캐소드부(110)와 애노드부(150)를 연결하는 연결부(190)를 포함한다.
상기 이산화탄소 활용 시스템(100a)의 캐소드부(150) 및 애노드부(150)의 구성은 상기에서 설명한 이산화탄소 활용 시스템(100)과 동일하고, 반응 과정 또한 상기 [반응식 1] 내지 [반응식 7]과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 7에는 본 기술의 다른 구체적인 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100b)의 구성이 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 상기 이산화탄소 활용 시스템(100b)은 반응 공간(171), 상기 반응 공간에 수용되는 수용액(172), 상기 수용액(172)에 적어도 일부가 잠기는 캐소드(118) 및 상기 반응 공간(171)에서 상기 수용액(172)에 적어도 일부가 잠기는 금속 재질의 애노드(158)를 포함한다.
반응 공간(171)에는 수용액(172)이 담기고 캐소드(118)와 애노드(158)가 수용된다. 반응 공간(171)에는 제1 유입구(112)와 제1 배출구(113)가 형성될 수 있다. 제1 유입구(112)는 수용액의 수면보다 아래에 위치하도록 반응 공간(171)의 하부에 위치한다. 제1 배출구(113)는 수용액(172)의 수면보다 위에 위치하도록 반응 공간(171)의 상부에 위치한다. 제1 유입구(112)를 통해 반응 과정에서 연료로 사용되는 이산화탄소가 반응 공간(171)으로 유입되는데, 필요 시 수용액(172)도 유입될 수 있다.
제1 배출구(113)를 통해서는 반응 과정에서 생성된 가스가 외부로 배출된다. 도시되지는 않았으나, 제1 유입구(112)와 제1 배출구(113)는 충전 및 반응시 밸브 등에 의해 선택적으로 적절히 시기에 맞춰서 개폐될 수 있다. 반응 공간(171)에서는 반응 과정에서 이산화탄소 용리 반응이 일어난다.
수용액(172)은 반응 공간(171)에 담기며, 수용액(172)에 캐소드(118)의 적어도 일부와 애노드(158)의 적어도 일부가 잠긴다. 본 실시예에서 수용액(172)로 염기성 용액 또는 해수가 사용되는 것으로 설명한다. 수용액(172)은 반응 과정에서 제1 유입구(112)를 통해 유입되는 이산화탄소에 의해 약산성을 띄게 된다.
캐소드(118)는 반응 공간(171)에서 수용액(172)에 적어도 일부가 잠긴다. 캐소드(118)는 반응 공간(171)에서 애노드(158)보다 제1 유입구에 상대적으로 가깝게 위치한다. 캐소드(118)는 전기 회로를 형성하기 위한 전극으로서, 탄소페이퍼, 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 산소발생반응(HER) 촉매로 사용될 수 있는 다른 모든 촉매도 포함한다. 반응 시 캐소드(118)에서는 환원 반응이 일어나며, 그에 따라 수소가 발생하게 된다.
애노드(158)는 반응 공간(171)에서 수용액(172)에 적어도 일부가 잠긴다. 애노드(158)는 반응 공간(171)에서 캐소드(118)보다 제1 유입구(112)와 상대적으로 멀게 위치한다. 애노드(158)는 전기 회로를 이루는 금속 재질의 전극으로서, 본 실시예에서는 애노드(158)로 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)이 사용되는 것으로 설명한다. 반응 시 애노드(158)에서는 약산성 환경에 따른 산화 반응이 일어나게 된다.
위에서 구성 중심으로 설명된 이산화탄소 활용 시스템(100b)의 반응 과정은 상기에서 설명한 이산화탄소 활용 시스템(100)과 동일하고, 반응 과정 또한 상기 [반응식 1] 내지 [반응식 7]과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 8에는 본 기술의 다른 일 실시예에 따른 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템(10c)의 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 도 8을 참조하면, 상기 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템(10c)은 액화천연가스 저장소(1100), 연료전지 시스템(1200) 및 이산화탄소 활용 시스템(100c)을 포함한다. 상기 복합 발전 시스템(10c)은 액화천연가스 저장소에서 발생하는 증발가스를 연료전지 시스템(1200)으로 공급하고, 상기 연료전지 시스템(1200)은 전기를 생산하고 이산화탄소를 발생시킨다. 상기 연료전지 시스템(1200)에서 발생된 이산화탄소는 이산화탄소 활용 시스템(100c)로 공급되고 상기 이산화탄소 활용 시스템(100c)는 전원(1400)으로부터 전력을 공급받아 전기화학 반응을 통해 수소, 염소 및 전기를 생산한다. 이산화탄소 활용 시스템(100c)에서 생산된 수소는 상기 연료전지 시스템(1200)의 연료로 사용될 수 있다.
도 9에는 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100c)의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100c)은 반응 공간(171), 상기 반응 공간(171)에 수용되고 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액(172), 상기 반응 공간(171)에서 상기 전해질 수용액(172)에 적어도 일부가 잠기는 캐소드(118), 상기 캐소드(118)에서 발생하는 수소를 배출하는 수소 배출부, 상기 반응 공간(171)에서 상기 전해질 수용액(343)에 적어도 일부가 잠기는 애노드(158), 및 상기 캐소드(118)와 애노드(158)에 전기적으로 연결되는 전원(1400)을 포함한다. 이산화탄소 활용 시스템(100c)은 전원(1400)으로부터 공급되는 전기에너지를 이용하여 이산화탄소를 원료로 활용함으로써 수소 및 염소를 발생시킬 수 있다.
반응 공간(171)에서는 이산화탄소 용리 반응이 일어난다. 전해질 수용액(172)은 반응 공간(171)에 담기며, 전해질 수용액(172)에 캐소드(118)의 적어도 일부와 애노드(158)의 적어도 일부가 잠긴다. 전해질 수용액(172)은 바닷물이나 소금물과 같이 염소 이온(Cl-)을 포함하는 전해질 수용액으로서, 본 실시예에서는 염화나트륨(NaCl) 수용액인 것으로 설명한다. 그에 따른 전해질 수용액(172)은 나트륨 양이온(Na+)과 염소 음이온(Cl-)을 포함하게 된다.
캐소드(118)는 반응 공간(171)에서 전해질 수용액(172)에 적어도 일부가 잠긴다. 캐소드(118)는 전원(1400)의 음극과 전기적으로 연결되어서 전원(1400)으로부터 전자를 공급받는다. 캐소드(118)는 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. 캐소드(118)에서는 환원 반응에 의한 수소발생반응(HER; Hydrogen Evolution Reaction)이 일어나게 된다.
수소 배출부는 전해질 수용액(343)의 수면보다 위에 위치하도록 반응 공간의 캐소드(115) 상부에 위치하는 것이 바람직하다. 수소 배출구를 통해서는 이산화탄소 활용 시스템(100c)에서 발생한 수소가 배출된다.
애노드(158)는 반응 공간(171)에서 전해질 수용액(172)에 적어도 일부가 잠긴다. 애노드(158)는 전원(1400)의 양극과 전기적으로 연결되어서 전원(1400)으로 전자를 공급한다. 본 실시예에서 애노드(158)는 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 애노드(158)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. 애노드(158)에서는 산화 반응에 의한 염소발생반응(CER; Chlorine Evolution Reaction)이 일어나게 된다.
염소 배출부는 상기 애노드(158) 발생하는 염소(Cl2)또는 염소계 화합물(HClO 등)을 이산화탄소 활용 시스템(300c)의 외부로 배출할 수 있다. 본 실시예에 따른 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템(10c)이 선박에 설치되는 경우, 상기 발생된 염소 또는 염소계 화합물은 별도의 저장시설에 보관하거나 평형수 처리 시스템 공급되어 선박의 평형수를 살균처리 하는데 사용될 수 있다.
상기 반응 공간(171)에는 이산화탄소가 공급되는 유입구가 형성될 수 있다. 상기 유입구는 반응 공간(171)의 전해질 수용액(172)의 수면보다 아래에 위치하는 것이 바람직하다. 유입구를 통해 원료인 이산화탄소가 반응 공간(171)으로 유입되는데, 필요 시 전해질 수용액(172)도 유입될 수 있다.
이제, 이산화탄소 활용 시스템(100c)에서 이산화탄소가 제거되면서 수소가 발생되는 과정을 설명한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 유입구를 통해 염화 나트륨 수용액인 전해질 수용액(172)으로 이산화탄소 가스가 주입되며, 반응 공간(171)에서는 다음 [반응식 9]와 같은 이산화탄소의 화학적 용리 반응이 이루어진다.
[반응식 9]
H2O(l) + CO2(g) → H+(aq) + HCO3 -(aq)
즉, 반응 공간(171)으로 공급된 이산화탄소(CO2)가 전해질 수용액(172)의 용매인 물(H2O)과 자발적인 화학반응을 통해 수소 양이온(H+)과 중탄산염(HCO3 -)이 생성된다. [반응식 2]의 반응은 전해질 수용액은 산성화 시킨다.
또한, 캐소드(118)에서는 다음 [반응식 10]과 같은 전기적 반응이 이루어진다.
[반응식 10]
2H+(aq) + 2e- → H2(g)
즉, 캐소드(118)의 주변에서 수소 양이온(H+)은 캐소드(118)로부터 전자(e-)를 받아서 수소(H2) 기체가 발생하게 된다. 캐소드(118)에서 일어나는 수소발생반응은 전해질 수용액(172)을 염기성화 시킨다. 발생된 수소(H2)기체는 수소 배출부를 통해서 외부로 배출될 수 있다.
아울러, 캐소드(118)의 주변에서는 다음 [반응식 11]와 같은 복합 수소발생 반응이 이루어진다.
[반응식 11]
2H2O(l) + 2CO2(g) + 2e- → H2(g) + 2HCO3 -(aq)
그리고, 애노드(158)에서는 다음 [화학식 9]와 같은 염소발생반응이 일어난다.
[반응식 12]
2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e- (E0 = 1.25V)
결국, 최종 반응식은 다음 [반응식 13] 및 [반응식 14]과 같다.
[반응식 13]
2NaCl(aq) + 2H2O(l) + 2CO2(g) → 2NaHCO3(aq) + 2H+(aq) + 2Cl-(aq)
[반응식 14]
2H+(aq) + 2Cl-(aq) → H2(g) + Cl2(g)
[반응식 13]과 [반응식 14]으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전해반응 후 수소 이온(H+)이 사라지게 되므로, 전해질 수용액(172)의 pH가 증가하여 염기성화됨으로써, 유입구를 통해 유입되는 이산화탄소가 계속해서 용해될 수 있다. 초기에 염화나트륨(NaCl) 수용액이었던 전해질 수용액(172)은 반응이 계속 진행되면서 점점 탄산수소나트륨(NaHCO3)수용액으로 변하게 된다.
본 실시예에서는 전해질 수용액(172)으로서 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 탄산염이 생성될 수 있다.
상기 이산화탄소 활용 시스템(100c)은 상기 전해질 수용액(172)에 용해되는 이산화탄소의 양이 설정된 값 이상으로 유지되도록 상기 애노드에서 생성되는 염소의 양을 조절하여, 상기 전해질 수용액(172)의 pH를 설정된 값 이상으로 유지시킬 수 있다.
한편, 전해질 수용액(172)으로 염소 이온(Cl-)이 없는 용액을 사용하여 진행하면 애노드(158)에서는 다음 [반응식 15]와 같은 산소 발생 반응이 이루어진다.
[반응식 15]
4OH- → O2 + 2H2O + 4e-
그에 따라, 전해질 수용액(343)의 pH가 변하지 않게 되어 이산화탄소가 추가적으로 용해되지 않는다.
전원(1400)의 양극은 애노드(158)과 전기적으로 연결되고 전원(1400)의 음극은 캐소드(130)과 전기적으로 연결되어, 이산화탄소 활용 시스템(100c)에 전기에너지를 제공한다. 전원(1400)으로는 태양 전지와 풍력발전 등의 신재생 에너지를 포함하여 전기에너지를 제공할 수 있는 모든 형태의 전원이 사용될 수 있으며, 연료전지 시스템(1200)으로부터 공급받는 것일 수도 있다.
본 기술의 또 다른 일 실시예에 따른 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템(10)은 선박에 설치될 수 있다. 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템(10)을 선박에 설치하는 경우 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템(10)에 포함된 이산화탄소 활용 시스템(100)은 선박의 구동장치에서 발생하는 이산화탄소를 활용하여 수소를 생산할 수 있다. 이 경우 선박의 구동장치에서 발생하는 이산화탄소를 활용할 경우 선박의 운항 시 발생하는 온실가스인 이산화탄소를 감소 또는 제거함과 동시에 친환경 연료인 수소를 생산할 수 있다. 한편, 상기와 같이 생산되는 수소는 선박의 구동장치로 공급되어 구동장치의 출력을 향상 시킬 수 있다. 이에 따라, 선박을 추진시키는데 필요한 연료를 절감할 수 있다. 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 구동장치는 경유와 천연가스 중 적어도 하나를 연료로 사용하는 듀얼퓨얼엔진(Dual Fuel Engine)일 수 있다.
도 10에는 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용하는 선박용 추진동력 생산 시스템(20)의 개략적인 구성이 블록도로 도시되어 있다. 도 10을 참조하면, 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용하는 선박용 추진동력 생산 시스템(20)은, 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 배출하는 열기관(2200)과, 선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하고 열기관(2200)의 에너지원으로 공급되는 수소가 열기관(2200)으로부터 배출되는 이산화탄소를 활용하여 방전과정에서 발생되는 이산화탄소 활용 시스템(100)과 상기 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생된 수소를 저장하는 수소 저장장치(2300)를 포함한다.
열기관(2200)은 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하며 화석연료의 연소과정에서 이산화탄소를 발생시킨다. 열기관(2200)은 선박용으로 주로 사용되는 디젤엔진 등 화석연료를 연소시켜서 기계적 에너지를 생산하는 모든 형태의 연소 엔진을 포함한다. 열기관(2200)에서 생산된 기계적 에너지는 선박의 추진동력으로 사용되며, 열기관(2200)에서 발생한 이산화탄소는 수소 생산을 위해 이산화탄소 활용 시스템(100)으로 공급된다.
이산화탄소 활용 시스템(100)은 방전과정에서 전기에너지를 생산하고, 방전과정에서 열기관(2200)에서 발생한 이산화탄소 가스를 원료로 하여 수소 가스를 발생시킨다. 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 생산된 전기에너지는 선박의 추진동력으로 사용되며, 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생한 수소 가스는 열기관(2200)의 에너지원으로 공급되거나, 수소저장장치(2300)에 저장된다.
이산화탄소 활용 시스템(100)의 구성은 도 1에 따른 실시예에서 설명한 것과 동일하고, 반응 과정 또한 상기 [반응식 1] 내지 [반응식 7]과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
수소 저장장치(2300)는 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생한 수소를 추후 활용하기 위해 저장한다.
도 11에는 본 기술의 다른 실시예에 따른 이산화탄소를 이용하는 선박용 추진동력 생산 시스템(20a)의 개략적인 구성이 블록도로 도시되어 있다. 도 11을 참조하면, 이산화탄소를 이용하는 선박용 추진동력 생산 시스템(20a)은, 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 배출하는 열기관(2200)과, 탄화수소로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 발생시키는 개질기(1220)와, 선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하고 열기관(2200)과 개질기(1220)로부터 배출되는 이산화탄소를 활용하여 수소가 방전과정에서 발생되는 이산화탄소 활용 시스템(100)과, 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생된 수소와 개질기(1220)에서 생산된 개질가스에 함유된 수소를 원료로 하여 선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지(2400)를 포함한다.
열기관(2200)은 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하며 화석연료의 연소과정에서 이산화탄소를 발생시킨다.
열기관(2200)은 선박용으로 주로 사용되는 디젤엔진 등 화석연료를 연소시켜서 기계적 에너지를 생산하는 모든 형태의 연소 엔진을 포함한다. 열기관(2200)에서 생산된 기계적 에너지는 선박의 추진동력으로 사용되며, 열기관(2200)에서 발생한 이산화탄소는 수소 생산을 위해 이산화탄소 활용 시스템(100)으로 공급된다.
개질기(1220)는 탄화수소로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생산하고 부가적으로 이산화탄소 가스를 발생시킨다. 개질기에서의 반응 과정은 상기 [반응식 8]에 나타낸 바와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
메탄-수증기 개질기(1220)에서 생산된 수소는 연료전지(2400)의 연료로 공급된다.
그런데 상기 메탄-수증기 개질기(1220)는 상술한 많은 장점을 갖고 있지만, 상기 [반응식 8]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 개질기(1220)에서 발생되는 이산화탄소는 대기 중으로 방출되거나 별도의 이산화탄소 포집, 저장 공정으로 전달되는 대신, 도시된 바와 같이 이산화탄소 활용 시스템(100)의 방전과정에서 수소 생산을 위하여 이산화탄소 활용 시스템(100)에 전달됨으로써 메탄-수증기 개질기의 운영에 있어 필요악인 이산화탄소 발생 문제까지 해결될 수 있다.
이산화탄소 활용 시스템(100)은 방전과정에서 전기에너지를 생산하고, 방전과정에서 열기관(2200)과 개질기(1220)에서 발생한 이산화탄소 가스를 원료로 하여 수소를 발생시킨다. 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 생산된 전기에너지는 선박의 추진동력으로 사용되며, 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생한 수소는 연료전지(2400)의 연료로 공급된다.
연료전지(2400)는 개질기(1220)에서 생산된 개질가스에 함유된 수소와 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생된 수소를 원료로 공급받아서 선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산한다.
상기 이산화탄소 활용 시스템(100)의 캐소드부(150) 및 애노드부(150)의 구성은 도 1에 따른 실시예에서 설명된 이산화탄소 활용 시스템(100)의 대응되는 구성과 동일하고, 반응 과정 또한 상기 [반응식 1] 내지 [반응식 7]과 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 12 내지 도 20에는 도 1에 도시된 실시예의 이산화탄소 활용 시스템(100)을 대신하여 도 10 및 도 11의 이산화탄소를 이용하는 선박용 추진동력 생산 시스템에 사용될 수 있는 이산화탄소 활용 시스템들 각각에 대한 구성들이 도시되어 있다.
도 12는 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100d)의 방전과정을 도시한 모식도이다. 도 12를 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100d)은 캐소드부(110d), 애노드부(150d), 캐소드부(110d)와 애노드부(150d)를 연결하는 연결부(190d), 이산화탄소 처리부(200d), 이산화탄소 순환 공급부(240d), 및 캐소드부(110d)와 이산화탄소 처리부(200d)를 연통시키는 연결관(210d)을 포함한다. 이산화탄소 활용 시스템(100d) 및 이산화탄소 처리부(200d)의 구성은 도 1에 따른 실시예에서 설명된 이산화탄소 활용 시스템(100)과 도 3에 따른 실시예에서 설명된 이산화탄소 처리부(200)의 대응되는 구성과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 13은 본 기술의 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100e)의 방전과정을 설명하는 모식도이다. 도 13을 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100e)은 캐소드부(110e), 애노드부(150e), 및 캐소드부(110e)와 애노드부(150e)를 연결하는 연결부(190e)를 포함한다.
이산화탄소 활용 시스템(100e)의 구성은 도 1에 따른 실시예에서 설명된 이산화탄소 활용 시스템(100)의 대응되는 구성과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
연결부(190e)는 캐소드부(110e)와 애노드부(150e)를 연결하는 연결 통로(191e)와, 연결 통로(191e)의 내부에 설치되는 이온 교환 멤브레인(membrane)(192e)를 구비한다. 연결 통로(191e)는 캐소드부(110e)에 형성된 제1 연결구(114e)와 애노드부(150e)에 형성된 제2 연결구(154e)의 사이에 연장되어서 캐소드부(110e)의 제1 반응 공간(111e)과 애노드부(150e)의 제2 반응 공간(151e)을 연통시킨다. 연결 통로(191e)의 내부에 이온 교환 멤브레인(192e)이 설치된다.
이온 교환 멤브레인(192e)은 연결 통로(191e)의 내부를 막는 형태로 설치된다. 이온 교환 멤브레인(192e)은 캐소드부(110e)와 애노드부(150e)의 사이에 이온의 이동만을 허용한다. 이온 교환 멤브레인(192e)에 의해 제2 수용액(155e)에 포함된 칼륨 이온(K+)이 제1 수용액(115e)으로 이동한다. 본 실시예에서는 이온 교환 멤브레인(192e)으로서, 미국의 듀퐁사에서 개발된 불소 수지계의 카티온 교환막인 내피온(Nafion)이 사용되는 것으로 설명하는데, 본 기술은 이에 제한되는 것은 아니며, 칼륨 이온(K+)의 이동만을 허용하는 것이면 모두 가능하다. 이온 교환 멤브레인(192e)는 이온만 전달시킴으로써 방전과정에서 생기는 이온 불균형을 해소하게 된다.
도 14는 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100f)의 방전과정을 도시한 모식도이다. 도 14를 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100f)은 캐소드부(110f), 애노드부(150f)와, 캐소드부(110f)와 애노드부(250f)를 연결하는 연결부(190f)와, 이산화탄소 처리부(200f)와, 이산화탄소 순환 공급부(240f)와, 캐소드부(110f)와 이산화탄소 처리부(200f)를 연통시키는 연결관(210f)를 포함한다. 캐소드부(110f), 애노드부(150f) 및 연결부(190f)는 도 13에 도시된 대응하는 구성과 동일하며, 이산화탄소 처리부(200f), 이산화탄소 순환 공급부(240f) 및 연결관(210f)은 도 12에 도시된 이산화탄소 처리부(200d)의 대응되는 구성과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 15는 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100g)의 방전과정을 설명하는 모식도이다. 도 15를 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100g)은 캐소드부(110g), 애노드부(150g), 및 캐소드부(110g)와 애노드부(150g)를 연결하는 연결부(190g)를 포함한다. 캐소드부(110g)와 애노드부(150g)는 도 13에 도시된 실시예의 대응하는 구성과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
연결부(190g)는 캐소드부(110g)와 애노드부(150g)를 연결하는 연결 통로(191g)와, 연결 통로(191g)의 내부에 설치되는 이온 교환 멤브레인(membrane)(192g)를 구비한다.
연결 통로(191g)는 캐소드부(110g)에 형성된 제1 연결구(114g)와 애노드부(150g)에 형성된 제2 연결구(154g)의 사이에 연장되어서 캐소드부(110g)의 제1 반응 공간(111g)과 애노드부(150g)의 제2 반응 공간(151g)을 연통시킨다. 연결 통로(191g)의 내부에 이온 교환 멤브레인(192g)이 설치된다.
이온 교환 멤브레인(192g)은 연결 통로(191g)의 내부를 막는 형태로 설치된다. 이온 교환 멤브레인(192g)은 캐소드부(110g)와 애노드부(150g)의 사이에 이온의 이동만을 허용한다. 이온 교환 멤브레인(192g)를 통해 제1 수용액(115g)에 포함된 수산화 이온(OH-)이 제2 수용액(155g)으로 이동한다. 본 실시예에서는 이온 교환 멤브레인(192g)으로서, 미국의 듀퐁사에서 개발된 불소 수지계의 카티온 교환막인 내피온(Nafion)이 사용되는 것으로 설명하는데, 본 기술은 이에 제한되는 것은 아니며, 수산화 이온(OH-)의 이동만을 허용하는 것이면 모두 가능하다. 이온 교환 멤브레인(192g)에 의해 수산화 이온(OH-)이 캐소드부(110g)로부터 애노드부(150g)로 전달됨으써 방전과정에서 생기는 이온 불균형을 해소하게 된다.
도 16은 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100h)의 방전과정을 도시한 모식도이다. 도 16을 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100h)은 캐소드부(110h), 애노드부(150h), 캐소드부(110h)와 애노드부(150h)를 연결하는 연결부(190h), 이산화탄소 처리부(200h), 이산화탄소 순환 공급부(240h), 및 캐소드부(110h)와 이산화탄소 처리부(200h)를 연통시키는 연결관(210h)을 포함한다. 캐소드부(110h), 애노드부(150h) 및 연결부(190h)는 도 15에 도시된 실시예에서 설명된 것과 동일하며, 이산화탄소 처리부(200h), 이산화탄소 순환 공급부(240h) 및 연결관(210h)은 도 12에 도시된 대응하는 구성과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 17은 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100i)의 방전과정을 도시한 모식도이다. 도 17을 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100i)은 캐소드부(110i),애노드부(150i), 및 캐소드부(110i)와 애노드부(150i)를 연결하는 염다리(salt bridge)(190i)를 포함한다. 이산화탄소 활용 시스템(100i)은 방전과정에서 온실가스인 이산화탄소 기체(CO2)를 원료로 사용하여 친환경 연료인 수소(H2)를 생산한다. 캐소드부(110g)와 애노드부(150g)는 도 13에 도시된 실시예의 대응하는 구성과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
염다리(190i)는 양단부가 각각 제1 수용액(115i)과 제2 수용액(155i)에 잠긴다. 염다리(190i)의 내부 용액으로 염화칼륨(KCl), 염화나트륨(NaCl) 등 통상적으로 사용되는 염다리 내부 용액이 사용될 수 있다.
방전이 진행되면서 제1 수용액(115i)에는 HCO3 -(중탄산이온)이 생성되는데, 염다리(190i)의 내부 용액이 염화나트륨(NaCl)과 같이 나트륨 이온(Na+)을 포함하는 경우, 이온 균형을 맞추기 위하여 염다리(190i)로부터 나트륨 이온이 확산되어서 탄산수소나트륨(NaHCO3) 수용액 형태의 이온으로 존재하게 된다. 이 용액을 건조하면 베이킹소다 형태의 탄산나트륨 고체 생성물이 부가적으로 획득된다.
도 18은 본 기술의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100j)의 방전과정을 도시한 모식도이다. 도 18을 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100i)은 캐소드부(110j), 애노드부(150j), 캐소드부(110j)와 애노드부(150j)를 연결하는 염다리(190j), 이산화탄소 처리부(200j), 이산화탄소 순환 공급부(240j), 및 캐소드부(110j)와 이산화탄소 처리부(200j)를 연통시키는 연결관(210j)을 포함한다. 캐소드부(110j), 애노드부(150j) 및 염다리(190j)는 도 17에 도시된 실시예에서 설명된 대응하는 구성들 각각과 동일하며, 이산화탄소 처리부(200j), 이산화탄소 순환 공급부(240j) 및 연결관(210j)은 도 12에 도시된 대응하는 구성들 각각과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 19는 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100k)의 방전과정을 도시한 모식도이다. 도 19를 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100k)은 내부에 반응 공간(171k)을 제공하는 반응 용기, 반응 공간(171k)에 담긴 수계 전해질 수용액(172k), 반응 공간(171k)에서 수계 전해질 수용액(172k)에 적어도 일부가 잠기는 캐소드(cathode)(118k), 및 반응 공간(171k)에서 수계 전해질 수용액(172k)에 적어도 일부가 잠기는 애노드(anode)(158k)를 포함한다. 이산화탄소 활용 시스템(100k)은 방전과정에서 온실가스인 이산화탄소 기체(CO2)를 원료로 사용하여 친환경 연료인 수소(H2)를 생산한다. 이산화탄소 활용 시스템(100k)은 도 7에 도시된 실시예의 대응하는 구성과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 20은 본 기술의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 활용 시스템(100l)의 방전과정을 도시한 모식도이다. 도 20을 참조하면, 이산화탄소 활용 시스템(100l)은 내부에 반응 공간(171l)을 제공하는 반응 용기, 반응 공간(171l)에 담긴 수계 전해질 수용액(172l), 반응 공간(171l)에서 수계 전해질(172l)에 적어도 일부가 잠기는 캐소드(cathode)(118l), 반응 공간(171l)에서 수계 전해질 수용액(172l)에 적어도 일부가 잠기는 애노드(anode)(158l), 이산화탄소 처리부(200l), 이산화탄소 순환 공급부(240l), 및 캐소드부(110l)와 이산화탄소 처리부(200l)를 연통시키는 연결관(210l)을 포함한다. 반응 용기, 수계 전해질 수용액(172l), 캐소드(118l) 및 애노드(158l)는 도 19에 도시된 실시예에서 설명된 대응하는 구성들 각각과 동일하며, 이산화탄소 처리부(200l), 이산화탄소 순환 공급부(240l) 및 연결관(210l)은 도 12에 도시된 대응하는 구성들 각각과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 21에는 본 기술의 일 실시예에 따른 연료전지를 이용하는 잠수함용 동력 생산 시스템의 개략적인 구성이 블록도로서 도시되어 있다. 도 21을 참조하면, 본 기술의 일 실시예에 따른 연료전지(2400)를 이용하는 잠수함용 동력 생산 시스템(30)은, 메탄올 등의 연료전지용 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 발생시키는 개질기(1220)와, 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하고 개질기(1220)로부터 배출되는 이산화탄소를 활용하여 방전과정에서 수소가 발생되는 이산화탄소 활용 시스템(100)과, 이산화탄소 활용 시스템(100)에서 발생된 수소와 개질기(1220)에서 생산된 개질가스에 함유된 수소를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지(2400)를 포함한다.
잠수함용 동력 생산 시스템(30)의 개질기(1220), 및 이산화탄소 활용시스템(100)의 구성 및 작동 과정은 도 1 내지 도20에 도시된 실시예에서 설명된 대응하는 구성들 각각과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
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 기술에 따른 이산화탄소 활용 장치는 외부 전원 없이 자발적 전기화학 반응을 통해 이산화탄소를 활용하여, 전기, 수소 및 중탄산이온을 생산할 수 있어 연료전지 시스템 또는 기타 장치와 결합되어, 배출되는 온실가스인 이산화탄소를 제거하고 청정에너지원인 수소를 생산하여 이를 연료전지에 공급함으로써, 이산화탄소 발생이 없는 친환경 복합 발전 시스템을 구현할 수 있다. 또한, 선박 또는 잠수함에 적용되어 운항 시 발생하는 이산화탄소를 제거 또는 동력 생산에 유용하게 이용될 수 있다.

Claims (48)

  1. 제1 반응 공간, 제1 수용액 및 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠기는 캐소드를 포함하는 캐소드부;
    제2 반응 공간, 염기성인 제2 수용액 및 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠기는 금속의 애노드를 포함하는 애노드부; 및
    상기 캐소드부와 애노드부를 연결하는 연결부;를 포함하며,
    상기 제1 수용액으로 유입된 이산화탄소를 중탄산이온으로 포집하고 수소이온을 생성하고, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 반응하여 수소를 생산하고,
    상기 연결부는 분리막 프레임 부재를 구비하고,
    상기 분리막 프레임 부재에는 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액의 이동은 차단하고 이온의 이동은 허용하는 복수의 다공성 이온 전달 부재가 착탈 가능하도록 설치되는, 이산화탄소 활용 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드의 재질은 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)인 이산화탄소 활용 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 이온 전달 부재는 유리 분리막인, 이산화탄소 활용 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 이온 전달 부재의 기공은 1 내지 250 미크론인, 이산화탄소 활용 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드부는 생성된 수소를 배출하는 제1 배출구를 구비하고, 상기 제1 배출구는 제1 수용액의 수면보다 위에 위치하는, 이산화탄소 활용 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제1 반응 공간과 제1 수용액이 연통되는 제1 연결관을 구비하는 이산화탄소 처리부를 더 포함하고,
    상기 이산화탄소 처리부는 유입된 이산화탄소 중 이온화되지 않은 이산화탄소가 상기 캐소드부로 공급되지 않도록 하는, 이산화탄소 활용 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는,
    상기 이온화되지 않은 이산화탄소를 상기 이산화탄소 처리부 내의 제1 수용액과의 비중 차이를 이용하여 분리하는, 이산화탄소 활용 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는,
    상기 이온화되지 않은 이산화탄소를 이산화탄소 처리부 내의 제1 수용액의 수면 상부에서 수집하는, 이산화탄소 활용 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는,
    상기 이산화탄소 처리부 내의 제1 수용액의 수면보다 낮은 위치에 이산화탄소가 유입되는 유입구를 구비하고,
    상기 제1 연결관은 상기 유입구보다 낮은 위치에 구비되는, 이산화탄소 활용 시스템.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는 이산화탄소 처리부 내의 제1 수용액의 수면 상부에 이온화되지 않은 이산화탄소를 배출하는 제2 배출구를 구비하는, 이산화탄소 활용 시스템.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는 상기 제1 반응 공간의 제1 수용액으로부터 분리된 이온화되지 않은 이산화탄소를 상기 이산화탄소 처리부 내의 제1 수용액으로 공급하는 이산화탄소 순환 공급부를 더 포함하는, 이산화탄소 활용 시스템.
  12. 액화천연가스를 저장하는 저장부;
    상기 저장부에 저장된 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)에서 발생하는 증발가스(Boil Off Gas, BOG)를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 시스템; 및
    상기 연료전지 시스템에서 발생하는 이산화탄소를 활용하여 수소를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템;을 포함하는, 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료전지는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 인산형 연료전지(PAFC) 및 직접탄소 연료전지(DCFC) 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는, 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 활용 시스템에서 생산되는 수소를 상기 연료전지 시스템으로 공급하는 것을 특징으로 하는, 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은,
    제1 반응 공간, 제1 수용액 및 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠기는 캐소드를 포함하는 캐소드부;
    제2 반응 공간, 염기성인 제2 수용액 및 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠기는 금속의 애노드를 포함하는 애노드부; 및
    상기 캐소드부와 애노드부를 연결하는 연결부를 포함하며,
    상기 제1 수용액으로 유입된 이산화탄소를 중탄산이온으로 포집하고 수소이온을 생성하고, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 반응하여 수소를 생산하는 것을 특징으로 하는, 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은,
    수용액을 수용하는 반응 공간;
    상기 반응 공간에서 상기 수용액에 적어도 일부가 잠기는 캐소드; 및
    상기 반응 공간에서 상기 수용액에 적어도 일부가 잠기는 금속 재질의 애노드;를 포함하며,
    상기 수용액으로 유입된 이산화탄소를 중탄산이온으로 포집하고 수소이온을 생성하고, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 반응하여 수소를 생산하는 것을 특징으로 하는, 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은,
    반응 공간, 상기 반응 공간에 수용되고 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액, 상기 반응 공간에서 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 잠기는 캐소드, 상기 캐소드에서 발생하는 수소를 배출하는 수소 배출부, 상기 반응 공간에서 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 잠기는 애노드, 상기 애노드에서 발생하는 염소를 배출하는 염소 배출부 및 상기 캐소드 및 애노드와 전기적으로 연결되는 전원을 포함하고,
    상기 반응 공간으로 주입된 이산화탄소가 상기 반응 공간의 전해질 수용액으로 유입되어, 상기 전해질 수용액의 물과 상기 이산화탄소의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고,
    상기 전원에 의해 전기가 인가되어, 상기 캐소드에서는 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어 수소를 생산하고, 상기 애노드에서는 상기 염소 음이온에서 전자가 분리되어 염소를 생산하는 것을 특징으로 하는, 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 애노드의 재질은 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)인, 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템은 선박용인 것을 특징으로 하는, 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은 선박의 구동장치에서 발생하는 이산화탄소를 활용하는 것을 특징으로 하는, 증발가스를 이용하는 복합 발전 시스템.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은 생산되는 수소를 선박의 구동장치로 공급하는 것을 특징으로 하는, 증발가스를 이용한 복합 발전 시스템.
  22. 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 배출하는 열기관; 및
    선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액의 이동은 차단하고 이온의 이동은 허용하는 다공성 구조의 이온 전달 부재를 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 제1 수용액으로 상기 열기관으로부터 배출되는 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  23. 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 배출하는 열기관; 및
    선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간과, 상기 제1 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 제1 반응 공간과 상기 수용 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 반응 공간에서 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간과,상기 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액의 이동은 차단하고 이온의 이동은 허용하는 다공성 구조의 이온 전달 부재를 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수용 공간의 상기 제1 수용액으로 상기 열기관으로부터 배출되는 이산화탄소 기체가 유입되어서 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 제1 반응 공간에서 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하며,
    상기 수용 공간의 상기 제1 수용액으로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 상기 수용 공간에서 상기 제1 수용액으로부터 분리되어서 상기 제1 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  24. 청구항 22 또는 청구항 23에 있어서,
    상기 이온 전달 부재의 재질은 유리인 선박용 추진동력 생산 시스템.
  25. 청구항 22 또는 청구항 23에 있어서,
    상기 이온 전달 부재에 형성된 기공은 40 내지 90 미크론, 15 내지 40 미크론, 5 내지 15 미크론 또는 1 내지 2 미크론인 선박용 추진동력 생산 시스템.
  26. 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 배출하는 열기관; 및
    선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간에 수용되는 제1 수산화칼륨 수용액과, 상기 제1 수산화칼륨 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간에 수용되는 제2 수산화칼륨 수용액과, 상기 제2 수산화칼륨 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수산화칼륨 수용액과 상기 제2 수산화칼륨 수용액의 이동은 차단하고 이온의 이동은 허용하는 이온 교환 멤브레인을 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로 상기 열기관으로부터 배출되는 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 제1 수산화칼륨 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  27. 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 배출하는 열기관; 및
    선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간과, 상기 제1 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 제1 반응 공간과 상기 수용 공간에 수용되는 제1 수산화칼륨 수용액과,
    상기 제1 반응 공간에서 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간과, 상기 제2 반응 공간에 수용되는 제2 수산화칼륨 제2 수용액과, 상기 제2 수산화칼륨 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수산화칼륨 수용액과 상기 제2 수산화칼륨 수용액의 이동은 차단하고 이온의 이동은 허용하는 이온 교환 멤브레인을 구비하며, 상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수용 공간의 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로 상기 열기관으로부터 배출되는 이산화탄소 기체가 유입되어서 상기 제1 수산화칼륨 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 제1 반응 공간에서 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하며,
    상기 수용 공간의 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 상기 수용 공간에서 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로부터 분리되어서 상기 제1 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  28. 청구항 26 또는 청구항 27에 있어서,
    상기 이온 교환 멤브레인은 칼륨 이온이 상기 제2 반응 공간으로부터 상기 제1 반응 공간으로 이동하는 것을 허용하는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  29. 청구항 22 또는 청구항 23에 있어서,
    상기 이온 교환 멤브레인은 수산화 이온이 상기 제1 반응 공간으로부터 상기 제2 반응 공간으로 이동하는 것을 허용하는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  30. 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 배출하는 열기관; 및
    선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액을 연결하는 염다리를 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 제1 수용액으로 상기 열기관으로부터 배출되는 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  31. 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 배출하는 열기관; 및
    선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간과, 상기 제1 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 제1 반응 공간과 상기 수용 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 반응 공간에서 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간과,상기 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액을 연결하는 염다리를 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수용 공간의 상기 제1 수용액으로 상기 열기관으로부터 배출되는 이산화탄소 기체가 유입되어서 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 제1 반응 공간에서 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하며,
    상기 수용 공간의 상기 제1 수용액으로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 상기 수용 공간에서 상기 제1 수용액으로부터 분리되어서 상기 제1 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  32. 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 배출하는 열기관; 및
    선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 반응 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 반응 공간에서
    상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 애노드를 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수계 전해질로 상기 열기관으로부터 배출되는 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 수계 전해질의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  33. 화석연료를 연소시켜서 선박의 추진동력으로 사용되는 기계적 에너지를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 배출하는 열기관; 및
    선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 이산화탄소 활용 시스템을 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 반응 공간과, 상기 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 반응 공간과 상기 수용 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 애노드를 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수용 공간의 상기 수계 전해질로 상기 열기관으로부터 배출되는 이산화탄소 기체가 유입되어서 상기 수계 전해질의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 반응 공간에서 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하며,
    상기 수용 공간의 상기 수계 전해질로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 상기 수용 공간에서 상기 수계 전해질로부터 분리되어서 상기 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  34. 청구항 22, 청구항 23, 청구항 26, 청구항 27 및 청구항 30 내지 청구항 33 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소는 상기 열기관의 에너지원으로 공급되는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  35. 청구항 22, 청구항 23, 청구항 26, 청구항 27 및 청구항 30 내지 청구항 33 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소를 저장하는 수소 저장장치를 더 포함하는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  36. 청구항 22, 청구항 23, 청구항 26, 청구항 27 및 청구항 30 내지 청구항 33 중 어느 하나의 청구항에 있어서,
    상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소를 연료로 공급받아서 선박의 추진동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 더 포함하는 선박용 추진동력 생산 시스템.
  37. 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기;
    방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 기체를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및
    상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액의 이동은 차단하고 이온의 이동은 허용하는 다공성 구조의 이온 전달 부재를 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전 과정에서 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하는 잠수함용 동력 생산 시스템.
  38. 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기;
    방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및
    상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간과, 상기 제1 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 제1 반응 공간과 상기 수용 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 반응 공간에서 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간과, 상기 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액 사이에 이온의 이동만을 허용하는 다공성 구조의 이온 전달 부재를 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수용 공간의 상기 제1 수용액으로 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되어서 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 제1 반응 공간에서 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하며,
    상기 수용 공간의 상기 제1 수용액으로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 상기 수용 공간에서 상기 제1 수용액으로부터 분리되어서 상기 제1 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 잠수함용 동력 생산 시스템.
  39. 청구항 37 또는 청구항 38에 있어서,
    상기 이온 전달 부재의 재질은 유리인 잠수함용 동력 생산 시스템.
  40. 청구항 37 또는 청구항 38에 있어서,
    상기 이온 전달 부재에 형성된 기공은 40 내지 90 미크론, 15 내지 40 미크론, 5 내지 15 미크론 또는 1 내지 2 미크론인 잠수함용 동력 생산 시스템.
  41. 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기;
    방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및
    상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간에 수용되는 제1 수산화칼륨 수용액과, 상기 제1 수산화칼륨 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간에 수용되는 제2 수산화칼륨 수용액과, 상기 제2 수산화칼륨 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수산화칼륨 수용액과 상기 제2 수산화칼륨 수용액 사이에 이온의 이동만을 허용하는 이온 교환 멤브레인을 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 제1 수산화칼륨 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소 이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하는 잠수함용 동력 생산 시스템.
  42. 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기;
    방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및
    상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간과, 상기 제1 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 제1 반응 공간과 상기 수용 공간에 수용되는 제1 수산화칼륨 수용액과,
    상기 제1 반응 공간에서 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간과, 상기 제2 반응 공간에 수용되는 제2 수산화칼륨 제2 수용액과, 상기 제2 수산화칼륨 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 반응 공간과 상기 제2 반응 공간을 연통시키는 연결 통로와, 상기 연결 통로에 설치되어서 상기 제1 수산화칼륨 수용액과 상기 제2 수산화칼륨 수용액 사이에 이온의 이동만을 허용하는 이온 교환 멤브레인을 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수용 공간의 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되어서 상기 제1 수산화칼륨 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 제1 반응 공간에서 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하며,
    상기 수용 공간의 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 상기 수용 공간에서 상기 제1 수산화칼륨 수용액으로부터 분리되어서 상기 제1 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 잠수함용 동력 생산 시스템.
  43. 청구항 41 또는 청구항 42에 있어서,
    상기 이온 교환 멤브레인은 칼륨 이온이 상기 제2 반응 공간으로부터 상기 제1 반응 공간으로 이동하는 것을 허용하는 잠수함용 동력 생산 시스템.
  44. 청구항 41 또는 청구항 42에 있어서,
    상기 이온 교환 멤브레인은 수산화 이온이 상기 제1 반응 공간으로부터 상기제2 반응 공간으로 이동하는 것을 허용하는 잠수함용 동력 생산 시스템.
  45. 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기;
    방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및
    상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액을 연결하는 염다리를 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 제1 수용액으로 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하는 잠수함용 동력 생산 시스템.
  46. 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기;
    방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 제1 반응 공간과, 상기 제1 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 제1 반응 공간과 상기 수용 공간에 수용되는 제1 수용액과, 상기 제1 반응 공간에서 상기 제1 수용액에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 제2 반응 공간과,
    상기 제2 반응 공간에 수용되는 염기성인 제2 수용액과, 상기 제2 수용액에 적어도 일부가 잠긴 애노드와, 상기 제1 수용액과 상기 제2 수용액을 연결하는 염다리를 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수용 공간의 상기 제1 수용액으로 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되어서 상기 제1 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 제1 반응 공간에서 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하며,
    상기 수용 공간의 상기 제1 수용액으로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 상기 수용 공간에서 상기 제1 수용액으로부터 분리되어서 상기 제1 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 잠수함용 동력 생산 시스템.
  47. 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기;
    방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 반응 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 애노드를 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수계 전해질로 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되고, 상기 수계 전해질의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하는 잠수함용 동력 생산시스템.
  48. 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소 기체를 발생시키는 개질기;
    방전 과정에서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지와 함께 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시키는 이산화탄소 활용 시스템; 및
    상기 개질기로부터 생산된 개질 가스와 상기 이산화탄소 활용 시스템에서 발생한 수소 기체를 공급받아서 잠수함의 동력으로 사용되는 전기에너지를 생산하는 연료전지를 포함하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템은, 반응 공간과, 상기 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 반응 공간과 상기 수용 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 캐소드와, 상기 반응 공간에서 상기 수계 전해질에 적어도 일부가 잠긴 애노드를 구비하며,
    상기 이산화탄소 활용 시스템의 방전과정에서 상기 수용 공간의 상기 수계 전해질로 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소 기체가 유입되어서 상기 수계 전해질의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되고, 상기 반응 공간에서 상기 수소이온과 상기 캐소드의 전자가 결합되어서 상기 연료전지로 공급되는 수소 기체가 발생하며,
    상기 수용 공간의 상기 수계 전해질로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 상기 수용 공간에서 상기 수계 전해질로부터 분리되어서 상기 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 잠수함용 동력 생산 시스템.
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