KR102001213B1 - Fuel cell system having hydrogen generating and carbon dioxide removing apparatus using carbon dioxide - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소를 이용하는 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen generating and carbon dioxide removal apparatus and a fuel cell system having the same, and more particularly, to a hydrogen generating and carbon dioxide removing apparatus using carbon dioxide and a fuel cell system having the same.
최근 산업화와 더불어 온실가스의 배출이 지속적으로 증가하고 있으며, 온실가스 중 이산화탄소가 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 산업 유형별 이산화탄소 배출량은 발전소 등 에너지 공급원에서 가장 많고, 발전을 포함한 시멘트/철강/정제 산업 등에서 발생되는 이산화탄소가 전 세계 발생량의 절반을 차지하고 있다. 이산화탄소 전환/활용 분야는 크게 화학적 전환, 생물학적 전환, 직접 활용으로 구분할 수 있으며, 기술적 범주로는 촉매, 전기화학, 바이오공정, 광활용, 무기(탄산)화, 폴리머 등으로 구분지을 수 있다. 이산화탄소는 다양한 산업 및 공정에서 발생되고, 하나의 기술로 이산화탄소 저감을 달성할 수 없기 때문에 이산화탄소 저감을 위한 다양한 접근 방식이 필요하다.With the recent industrialization, greenhouse gas emissions have been continuously increasing, and carbon dioxide accounts for the largest portion of greenhouse gases. Carbon dioxide emissions by industry type are the highest in energy sources such as power plants, and carbon dioxide from cement, steel, and refining industries, including power generation, accounts for half of the world's production. CO2 conversion / utilization can be classified into chemical conversion, biological conversion, and direct utilization, and the technical categories can be categorized into catalyst, electrochemical, bioprocess, light utilization, inorganic (carbonate), and polymer. Since carbon dioxide is produced in various industries and processes, and a single technology cannot achieve carbon dioxide reduction, various approaches for carbon dioxide reduction are required.
현재 미국 에너지성 DOE(Department Of Energy)는 이산화탄소를 저감하기 위한 기술로 CCS(Carbon Capture & Storage)와 CCU (CC & Utilization)이 복합된 CCUS 기술에 관심을 두고 다각적 기술 개발을 추진 중이다. CCUS 기술은 효과적인 온실가스 감축 방안으로 인정받고 있으나, 고 투자 비용, 유해 포집제의 대기 방출 가능성, 낮은 기술 성숙도의 문제에 직면하고 있다. 또한, 에너지 및 기후 정책적 관점에서 CCUS는 온실가스 배출량을 실질적으로 감축하는 수단을 제공하지만 기술의 실현에 는 보완 사항이 많다. 따라서, 보다 효율적으로 이산화탄소 포집, 저장 및 활용하는 새로운 개념의 한계돌파형(breakthrough) 기술 개발이 요구되고 있다.Currently, the US Department of Energy Department of Energy (DOE) is focusing on CCUS technology that combines Carbon Capture & Storage (CCS) and CC & Utilization (CCU) as a technology to reduce carbon dioxide. CCUS technology is recognized as an effective GHG reduction measure, but faces high investment costs, the possibility of release of harmful trapping agents into the air, and low technology maturity. In addition, from an energy and climate policy perspective, CCUS provides a means to substantially reduce greenhouse gas emissions, but there are many complements to the realization of technology. Therefore, there is a need for developing a new concept of breakthrough technology that more efficiently captures, stores and utilizes carbon dioxide.
본 발명의 기술분야와 관련된 선행 특허문헌으로서, 등록특허공보 제10-1451630호에는 이산화탄소를 전기화학적으로 환원하여 수소를 생산하는 기술이 기재되어 있다.As a prior patent document related to the technical field of the present invention, Patent No. 10-1451630 describes a technique for producing hydrogen by electrochemically reducing carbon dioxide.
본 발명의 목적은 온실 가스인 이산화탄소를 원료로 수소를 생산하면서 이산화탄소를 제거하는 장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a device for removing carbon dioxide while producing hydrogen from carbon dioxide, which is a greenhouse gas, and a fuel cell system having the same.
본 발명의 다른 목적은 이산화탄소의 추가적인 용해가 가능하여 수소발생반응을 지속할 수 있는 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a hydrogen generation and carbon dioxide removal device and fuel cell system having the same that can further dissolve the carbon dioxide to continue the hydrogen evolution reaction.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 반응 공간과, 상기 반응 공간에 수용되고 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액과, 상기 반응 공간에서 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 잠기는 환원전극과, 상기 반응 공간에서 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 잠기는 산화전극을 구비하는 수소 발생기; 및 상기 수소 발생기에 직류 전기를 인가하고 상기 환원전극과 전기적으로 연결되는 음극과 상기 산화전극과 전기적으로 연결되는 양극을 구비하는 전원을 포함하며, 상기 전원에 의해 상기 수소 발생기에 직류 전기가 인가되고 이산화탄소 기체가 상기 전해질 수용액으로 유입되어서, 상기 전해질 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 환원전극에서는 상기 수소이온과 상기 환원전극의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하고, 상기 산화전극에서는 상기 염소 음이온에서 전자가 분리되어 염소가스가 발생하는 염소발생반응이 일어나는 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템이 제공된다.In order to achieve the above object of the present invention, according to an aspect of the present invention, the reaction space, the electrolyte aqueous solution contained in the reaction space and containing a chlorine anion, and at least a portion of the electrolyte solution in the reaction space A hydrogen generator having a reduction electrode and an oxide electrode at least partially submerged in the aqueous electrolyte solution in the reaction space; And a power supply having direct current applied to the hydrogen generator and having a cathode electrically connected to the reduction electrode and an anode electrically connected to the anode, wherein the direct current is applied to the hydrogen generator by the power supply. Carbon dioxide gas is introduced into the aqueous electrolyte solution, and hydrogen ions and bicarbonate ions are generated by the reaction of water in the aqueous electrolyte solution with the carbon dioxide gas. Is generated, and the anode is provided with a hydrogen generating and carbon dioxide removing device and a fuel cell system including the same, in which an electron is separated from the chlorine anion to generate a chlorine gas.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 반응 공간과, 상기 반응 공간과 연통되는 수용 공간과, 상기 반응 공간 및 상기 수용 공간 모두에 수용되고 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액과, 상기 반응 공간에서 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 잠기는 환원전극과, 상기 반응 공간에서 상기 전해질 수용액에 적어도 일부가 잠기는 산화전극과, 상기 수용 공간의 상기 수계 전해질로 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체를 상기 수계 전해질로부터 분리하여 상기 반응 공간으로 공급되지 않도록 하는 이산화탄소 처리부를 구비하는 수소 발생기; 및 상기 수소 발생기에 직류 전기를 인가하고 상기 환원전극과 전기적으로 연결되는 음극과 상기 산화전극과 전기적으로 연결되는 양극을 구비하는 전원을 포함하며, 상기 전원에 의해 상기 수소 발생기에 직류 전기가 인가되고 이산화탄소 기체가 상기 수용 공간의 전해질 수용액로 유입되어서, 상기 반응 공간에서 전해질 수용액의 물과 상기 이산화탄소 기체의 반응에 의해 수소이온과 중탄산이온이 생성되며, 상기 환원전극에서는 상기 수소이온과 상기 환원전극의 전자가 결합되어서 수소 기체가 발생하고, 상기 산화전극에서는 상기 염소 음이온에서 전자가 분리되어 염소가스가 발생하는 염소발생반응이 일어나는 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템이 제공된다.In order to achieve the above object of the present invention, according to another aspect of the present invention, an electrolyte containing a reaction space, a receiving space in communication with the reaction space, and both the reaction space and the receiving space and containing a chlorine anion An aqueous solution, a reduction electrode at least partially submerged in the electrolyte solution in the reaction space, an oxide electrode at least partially submerged in the electrolyte solution in the reaction space, and carbon dioxide gas introduced into the aqueous electrolyte in the accommodation space A hydrogen generator having a carbon dioxide treatment unit for separating carbon dioxide gas from the aqueous electrolyte so as not to be supplied to the reaction space; And a power supply having direct current applied to the hydrogen generator and having a cathode electrically connected to the reduction electrode and an anode electrically connected to the anode, wherein the direct current is applied to the hydrogen generator by the power supply. Carbon dioxide gas is introduced into the aqueous electrolyte solution of the accommodation space, and hydrogen ions and bicarbonate ions are generated by the reaction of water of the aqueous electrolyte solution and the carbon dioxide gas in the reaction space, and the hydrogen electrode and the reduction electrode of the cathode Electrons are combined to generate hydrogen gas, and the anode is provided with a hydrogen generation and carbon dioxide removal device and a fuel cell system including the chlorine generation reaction in which electrons are separated from the chlorine anion to generate chlorine gas.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 반응 공간과, 상기 반응 공간에 수용되고 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액과, 상기 반응 공간에 배치되는 환원전극 및 산화전극을 구비하고, 외부에서 공급되는 전기 및 이산화탄소 기체를 이용하여 수소를 발생시키는 수소 발생기를 포함하며, 상기 전해질 수용액에 용해되는 이산화탄소의 양이 설정 값 이상으로 유지되도록 하기 위하여, 상기 산화전극에서 염소발생반응을 생성하여 상기 전해질 수용액의 pH를 설정 값 이상으로 유지시키는 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치 및 이를 구비하는 연료전지 시스템이 제공된다.In order to achieve the above object of the present invention, according to another aspect of the present invention, a reaction space, an aqueous electrolyte solution contained in the reaction space and containing a chlorine anion, a reduction electrode and an anode disposed in the reaction space And a hydrogen generator for generating hydrogen using electricity and carbon dioxide gas supplied from the outside, and in order to maintain the amount of carbon dioxide dissolved in the electrolyte solution above a set value, chlorine generation in the anode Provided is a hydrogen generation and carbon dioxide removal device for generating a reaction to maintain a pH of the electrolyte solution above a set value, and a fuel cell system having the same.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 전해질 용액으로서 염화나트륨 수용액과 같은 염소 이온을 포함하는 수계 전해질을 사용함으로써 산화전극에서 염소발생반응이 일어나고, 산화전극에서 일어나는 염소발생반응에 의해 전해질 용액의 pH가 증가하게 되며, 그에 따라 전해질 용액에 이산화탄소 가스가 추가적으로 용해되어서 수소발생반응이 지속될 수 있다.According to the present invention, all the objects of the present invention described above can be achieved. Specifically, by using an aqueous electrolyte containing chlorine ions such as an aqueous sodium chloride solution as the electrolyte solution, the chlorination reaction occurs at the anode, the pH of the electrolyte solution is increased by the chlorination reaction occurring at the anode, accordingly The carbon dioxide gas is further dissolved in the electrolyte solution so that the hydrogen evolution reaction can be continued.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치의 구성을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치의 구성을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.1 is a schematic diagram showing the configuration of a hydrogen generating and carbon dioxide removal apparatus according to an embodiment of the present invention according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram showing the configuration of a hydrogen generating and carbon dioxide removal apparatus according to another embodiment of the present invention.
3 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell system according to an exemplary embodiment of the present invention.
4 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a fuel cell system according to another exemplary embodiment of the present invention.
5 is a block diagram schematically showing the configuration of a fuel cell system according to another embodiment of the present invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described in detail the configuration and operation of the embodiment of the present invention.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치(1100)는 수소 발생기(1100a)와, 수소 발생기(1100a)로 직류 전기를 제공하는 전원(1200)을 구비한다. 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치(1100)는 이산화탄소 가스를 원료로 전기에너지를 이용하여 수소 가스를 발생시킴으로써, 온실가스인 이산화탄소를 제거하면서 수소를 생산하게 된다.1 schematically shows a configuration of a hydrogen generation and carbon dioxide removal apparatus according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the apparatus for generating hydrogen and
수소 발생기(1100a)는 내부에 반응 공간(1111)을 제공하는 반응 용기(1110)와, 반응 공간(1111)에 담긴 전해질 용액(1115)과, 반응 공간(1111)에서 전해질 용액(1115)에 적어도 일부가 잠기는 환원전극(cathode)(1118)과, 반응 공간(1111)에서 전해질 용액(1115)에 적어도 일부가 잠기는 산화전극(andode)(1158)을 구비한다. 수소 발생기(1100a)는 전원(1200)으로부터 공급되는 직류 전기를 이용하여 이산화탄소를 원료로 수소 가스를 발생시킨다.The
반응 용기(1110)는 내부에 전해질 용액(1115)이 담기고 환원전극(1118)과 산화전극(1158)이 수용되는 반응 공간(1111)을 제공한다. 반응 용기(1110)에는 반응 공간(1111)과 연통되는 제1 유입구(1112)와 제1 배출구(1113)가 형성된다. 제1 유입구(1112)는 전해질 용액(1115)의 수면보다 아래에 위치하도록 반응 공간(1111)의 하부에 위치한다. 제1 배출구(1113)는 수계 전해질(1115)의 수면보다 위에 위치하도록 반응 공간(1111)의 상부에 위치한다. 제1 유입구(1112)를 통해 원료인 이산화탄소 가스가 반응 공간(1111)으로 유입되는데, 필요 시 전해질 용액(1115)도 유입될 수 있다. 제1 배출구(1113)을 통해서는 발생한 수소 가스가 배출된다. 반응 공간(111)에서는 이산화탄소 용리 반응이 일어난다.The
전해질 용액(1115)은 반응 공간(1111)에 담기며, 전해질 용액(1115)에 환원전극(1118)의 적어도 일부와 산화전극(1158)의 적어도 일부가 잠긴다. 전해질 용액(1115)은 바닷물이나 소금물과 같이 염소 이온(Cl-)을 포함하는 수계 전해질로서, 본 실시예에서는 염화나트륨(NaCl) 수용액인 것으로 설명한다. 그에 따른 전해질 용액(1115)은 나트륨 양이온(Na+)과 염소 음이온(Cl-)을 포함하게 된다.The
환원전극(1118)은 반응 공간(1111)에서 전해질 용액(1115)에 적어도 일부가 잠긴다. 환원전극(1118)는 전원(1200)의 음극과 전기적으로 연결되어서 전원(1200)으로부터 전자를 공급받는다. 환원전극(1118)은 탄소 페이퍼, 탄소 섬유, 탄소 펠트, 탄소 천, 금속 폼, 금속박막, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 백금 촉매도 사용될 수 있다. 촉매의 경우, 백금 촉매 외에 탄소 계열 촉매, 탄소-금속 계열 복합 촉매, 페로브스카이트 산화물 촉매 등 일반적으로 수소발생반응 촉매로 사용될 수 있는 다른 모든 촉매도 포함한다. 환원전극(1118)에서는 환원 반응에 의한 수소발생반응(HER; Hydrogen Evolution Reaction)이 일어나게 된다.The
산화전극(1158)은 반응 공간(1111)에서 수계 전해질(1115)에 적어도 일부가 잠긴다. 산화전극(1158)은 전원(1200)의 양극과 전기적으로 연결되어서 전원(1200)으로 전자를 공급한다. 본 실시예에서 산화 전극(1158)은 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al) 또는 아연(Zn)이 사용되는 것으로 설명한다. 또한, 추가적으로 산화전극(1158)은 탄소 페이퍼, 탄소 섬유, 탄소 펠트, 탄소 천, 금속 폼, 금속박막, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 백금 촉매도 사용될 수 있다. 촉매의 경우, 백금 촉매 외에 탄소 계열 촉매, 탄소-금속 계열 복합 촉매, 페로브스카이트 산화물 촉매 등 일반적으로 염소발생반응 촉매로 사용될 수 있는 다른 모든 촉매도 포함한다. 산화전극(158)에서는 산화 반응에 의한 염소발생반응(CER; Chlorine Evolution Reaction)이 일어나게 된다.The
이제, 수소 발생기(1100a)에서 이산화탄소가 제거되면서 수소가 발생되는 과정을 설명한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 유입구(1112)를 통해 염화나트륨 수용액인 전해질 용액(1115)으로 이산화탄소 가스가 주입되며, 반응 공간(1111)에서는 다음 [반응식 1]과 같은 이산화탄소의 화학적 용리 반응이 이루어진다.Now, a process of generating hydrogen while carbon dioxide is removed from the
[반응식 1]Scheme 1
H2O(l) + CO2(g) → H+(aq) + HCO3 -(aq) H 2 O (l) + CO 2 (g) → H + (aq) + HCO 3 - (aq)
즉, 반응 공간(1111)으로 공급된 이산화탄소(CO2)가 전해질 용액(1115)의 용매인 물(H2O)과 자발적인 화학반응을 통해 수소 양이온(H+)과 중탄산염(HCO3 -)이 생성된다. [반응식 1]의 반응은 전해질 용액은 산성화 시킨다.That is, the carbon dioxide (CO 2 ) supplied to the
또한, 환원전극(1118)에서는 다음 [반응식 2]와 같은 전기적 반응이 이루어진다.In addition, in the
[반응식 2]Scheme 2
2H+(aq) + 2e- → H2(g) (E0 = 0.00 V vs. SHE) 2H + (aq) + 2e - → H 2 (g) (E 0 = 0.00 V vs. SHE)
즉, 환원전극(1118)의 주변에서 수소 양이온(H+)은 환원전극(1118)로부터 전자(e-)를 받아서 수소(H2) 기체가 발생하게 된다. 환원전극(1118)에서 일어나는 수소발생반응은 전해질 용액(1115)을 염기성화 시킨다. 발생된 수소(H2) 기체는 제1 배출구(1113)를 통해서 외부로 배출된다.That is, hydrogen cations (H + ) around the
아울러, 환원전극(1118)의 주변에서는 다음 [반응식 3]와 같은 복합 수소발생 반응이 이루어진다.In addition, in the vicinity of the
[반응식 3]
2H2O(l) + 2CO2(g) + 2e- → H2(g) + 2HCO3 -(aq) 2H 2 O (l) + 2CO 2 (g) + 2e - → H 2 (g) + 2HCO 3 - (aq)
그리고, 산화전극(1158)에서는 다음 [화학식 4]와 같은 염소발생반응이 이루어진다.In addition, in the
[반응식 4]Scheme 4
2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e- (E0 = 1.25 V vs. SHE) 2Cl - (aq) → Cl 2 (g) + 2e - (E 0 = 1.25 V vs. SHE)
결국, 최종 반응식은 화학 반응식인 다음 [화학식 5]의 화학 반응식 전해 반응식인 다음 [화학식 6]과 같다.As a result, the final reaction scheme is the following [Formula 6] which is a chemical reaction electrolysis scheme of the following [Formula 5].
[반응식 5]Scheme 5
2NaCl(aq) + 2H2O(l) + 2CO2(g) → 2NaHCO3(aq) + 2H+(aq) + 2Cl-(aq) 2NaCl (aq) + 2H 2 O (l) + 2CO 2 (g) → 2NaHCO 3 (aq) + 2H + (aq) + 2Cl - (aq)
[반응식 6]Scheme 6
2H+(aq) + 2Cl-(aq) → H2(g) + Cl2(g) 2H + (aq) + 2Cl - (aq) → H 2 (g) + Cl 2 (g)
[반응식 5]와 [반응식 6]으로부터 알 수 있는 바와 같이, 전해반응 후 수소 이온(H+)이 사라지게 되므로, 전해질 용액(1115)의 pH가 증가하여 염기성화됨으로써, 제1 유입구(1112)를 통해 유입되는 이산화탄소 가스가 계속해서 용해될 수 있다. 초기에 염화나트륨(NaCl) 수용액이었던 전해질 용액(1115)은 반응이 계속 진행되면서 점점 탄산수소나트륨(NaHCO3) 수용액으로 변하게 된다.As can be seen from [Scheme 5] and [Scheme 6], since the hydrogen ions (H + ) disappear after the electrolytic reaction, the pH of the
본 실시예에서는 전해질 용액(1115)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 다른 탄산염이 생성된다.In the present embodiment, it was described that an aqueous sodium chloride (NaCl) solution is used as the
만일, 전해질 용액(1115)으로 염소 이온(Cl-)이 없는 용액을 사용하여 진행하면 산화전극(1158)에서는 다음 [반응식 7]과 같은 산소발생반응이 이루어진다.If the
[반응식 7]Scheme 7
4OH- → O2 + 2H2O + 4e- 4OH - → O 2 + 2H 2 O + 4e -
그에 따라, 전해질 용액(1115)의 pH가 변하지 않게되어서 이산화탄소가 추가적으로 용해되지 않는다.Accordingly, the pH of the
전원(1200)은 수소 발생기(1100a)로 직류 전기를 제공한다. 전원(1200)의 양극은 수소 발생기(1100a)의 산화 전극(1158)과 전기적으로 연결되고 전원(1200)의 음극은 수소 발생기(1100a)의 환원 전극(1118)과 전기적으로 연결된다. 전원(1200)으로는 태양 전지와 풍력발전 등의 신재생 에너지를 포함하여 직류 전기를 제공할 수 있는 모든 형태의 전원이 사용될 수 있다.
도 2에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 수소 발생기(1100b)는 내부에 반응 공간(1111)을 제공하는 반응 용기(1110)와, 반응 공간(1111)에 담긴 전해질 용액(1115)과, 반응 공간(1111)에서 전해질 용액(1115)에 적어도 일부가 잠기는 환원전극(1118)과, 반응 공간(1111)에서 전해질 용액(1115)에 적어도 일부가 잠기는 산화전극(1158)과, 이산화탄소 처리부(1120)와, 이산화탄소 순환 공급부(1130)와, 반응 공간(1111)과 이산화탄소 처리부(1120)를 연결하는 연결관(1140)을 포함한다. 반응 용기(1110), 전해질 용액(1115), 환원전극(1118) 및 산화전극(1158)은 도 1에 도시된 실시예에서 설명된 것과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.2 schematically shows a configuration of a hydrogen generation and carbon dioxide removal apparatus according to another embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the
이산화탄소 처리부(1120)는 수용 공간(1121)에 수용되고 반응 공간(1111)에 담긴 전해질 용액(1115)과 동일한 수용액인 전해질 용액(1115)을 구비한다. 이산화탄소 처리부(1120)에는 수용 공간(1121)으로 이산화탄소가 유입되는 제2 유입구(1122)와, 연결관(1140)이 연결되는 연통구(1123)와, 수용 공간(1121)의 상부에 위치하는 제2 배출구(1124)가 형성된다. The carbon
제2 유입구(1122)는 수용 공간(1121)에서 연통구(1123)보다 위에 위치하고, 제2 배출구(1124) 및 수계 전해질(1115)의 수면보다 아래에 위치한다. 제2 유입구(1122)를 통해 수소 발생 과정에서 원료로 사용되는 이산화탄소 기체가 수용 공간(1121)으로 유입된다. 제2 유입구(1122)를 통해 필요에 따라 수계 전해질(1115)도 공급될 수 있다.The
연통구(1123)는 수용 공간(1121)에서 제2 유입구(1122)보다 아래에 위치하며, 연통구(1123)에는 연결관(1140)이 연결된다. 연통구(1123)를 통해 수용 공간(1121)은 반응 공간(1111)과 연통된다.The
제2 배출구(1124)는 수용 공간(1121)에서 제2 유입구(1122) 및 수계 전해질(1115)의 수면보다 위에 위치한다. 제2 배출구(1124)를 통해 수용 공간(1121)에서 전해질 용액(1115)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체가 외부로 배출된다. 제2 배출구(1124)를 통해 배출된 이산화탄소 가스는 이산화탄소 순환 공급부(1130)를 통해 제2 유입구(1122)로 공급된다.The
이산화탄소 순환 공급부(1130)는 제2 배출구(1124)를 통해 배출되는 이산화탄소 가스를 제2 유입구(1122)로 순환시켜서 재공급한다. The carbon dioxide
연결관(1140)은 반응 공간(1111)의 제1 유입구(1112)와 수용 공간(1121)의 연통구(1123)을 연결한다. 연결관(1140)의 내부에 형성되는 연결 통로(1141)를 통해 반응 공간(1111)과 수용 공간(1121)이 연통된다.The
제2 유입구(1122)를 통해 이산화탄소 처리부(1120)의 수용 공간(1121)으로 유입된 이산화탄소 중 전해질 용액(1115)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 반응 공간(1111)으로 이동하지 못하고 상승하여 수용 공간(1121) 내 전해질 용액(1115)의 수면 위 공간에 모인 후 제2 배출구(1124)를 통해 배출되고 제2 배출구(1124)를 통해 배출된 이산화탄소 기체는 이산화탄소 순환 공급부(1130)에 의해 제2 유입구(1122)를 통해 수용 공간(1121)으로 공급되어서 재활용된다. 또한, 이산화탄소 처리부(1120)의 수용 공간(1121)으로 유입된 이산화탄소 중 전해질 용액(1115)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 반응 공간(1111)으로 이동하지 못하므로, 제1 배출구(1113)를 통해서 이산화탄소가 섞이지 않은 고순도의 수소가 배출될 수 있다.Carbon dioxide gas which is not ionized because it is not dissolved in the
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지 시스템의 개략적이 구성이 블록도로서 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템(1000)은 이산화탄소(CO2)를 제거하면서 수소(H2)를 발생시키는 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치(1100)과, 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부가적으로 이산화탄소 가스를 발생시키는 개질기(1300)와, 수소 발생장치(1100)와 개질기(1300)로부터 수소를 연료로 공급받아서 전기를 생산하는 연료전지(1400)를 포함한다.3 is a block diagram showing a schematic configuration of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, a
수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치(1100)는 도 1 또는 도 2에 도시된 구성의 것이 사용되므로, 여기서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.Since the hydrogen generating and carbon
개질기(1300)는 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질가스를 생산하고 부가적으로 이산화탄소 가스를 발생시킨다. 개질기(1300)에서 생산된 개질가스는 연료전지(1400)로 공급되고, 개질기(1300)에서 부가적으로 발생된 이산화탄소 가스는 수소 발생기(1100a, 1100b)로 공급된다. 이를 위하여, 본 실시예에서는 개질기(1300)가 메탄(CH4)과 수증기(H2O)의 개질 반응에 의해 수소(H2)를 생산하는 메탄-수증기 개질기인 것으로 설명한다. The
메탄-수증기 개질기는 공정 가격이 저렴하고 대량 생산이 가능한 장점들 때문에 수소 생산 공정 중 상당히 많은 부분을 차지하고 있다. 다음의 [반응식 8]는 메탄-수증기 개질기(300)의 개질 반응에 관한 것이다. Methane-steam reformers are a significant part of the hydrogen production process because of their low cost and high volume production. The following Reaction Scheme 8 relates to the reforming reaction of the methane-steam reformer 300.
[반응식 8] Scheme 8
CH4 + H2O -> CO + 3H2 CH 4 + H 2 O-> CO + 3H 2
CO + H2O -> CO2 + H2 CO + H 2 O-> CO 2 + H 2
즉 메탄과 수증기의 화학반응에 의해 일산화탄소(CO)와 수소가 생성되며, 연속적으로 일산화탄소와 수증기의 화학반응에 의해 최종적으로 수소가 생산될 수 있다.That is, carbon monoxide (CO) and hydrogen are produced by the chemical reaction of methane and water vapor, and hydrogen can be finally produced by the chemical reaction of carbon monoxide and water vapor.
그런데 상기 메탄-수증기 개질기(300)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 발명의 경우, 메탄-수증기 개질기에서 발생되는 이산화탄소는 대기 중으로 방출되거나 별도의 이산화탄소 포집, 저장 공정으로 전달되는 대신, 수소 발생기(1100a)에 수소 발생을 위한 원료로 전달됨으로써 메탄-수증기 개질기의 운영에 있어 필요악인 이산화탄소 발생 문제까지 해결될 수 있다. 메탄-수증기 개질기는 공지된 기술이므로, 여기서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.By the way, the methane-steam reformer 300 has many advantages as described above, but as can be seen in [Scheme 8], it is necessary to supply steam 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 the main cause of environmental problems, must be generated. However, in the case of the present invention, the carbon dioxide generated in the methane-steam reformer is not released into the atmosphere or transferred to a separate carbon dioxide collection and storage process, but instead is transferred to the
연료전지(1400)는 수소와 산소의 화학반응에 의해 물이 생성됨과 아울러 전기에너지를 발생시키는 것이다. 연료전지(1400)는 수소 발생기(1100a, 1100b)에서 발생한 수소 및 개질기(1300)에서 생산된 수소를 연료로 공급받는다. The
전원이 태양전지인 경우에, 태양전지가 작동하는 낮에는 수소 발생기(1100a, 1100b)가 개질기에서 발생한 이산화탄소를 원료로 수소를 생산하여 저장해 두고, 연료전지(1400)는 개질기에서 생산된 수소를 공급받아서 전기를 생산하며, 태양전지가 작동하지 않는 밤에는 개질기는 작동시키지 않고 낮에 저장된 수소 발생기(1100a)에 의해 생산된 수소가 연료전지(1400)로 공급되어서 전기가 생산되도록 연료전지 시스템(1000)이 작동함으로써, 연료전지 시스템(1000)의 전체 효율이 향상될 수 있다.When the power source is a solar cell, during the day when the solar cell operates, the
도 3에 도시된 연료전지 시스템(1000)은 연료전지(1400)가 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)인 경우에 대한 것인데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)가 사용될 수 있으며, 이에 대한 실시예가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.The
도 4를 참조하면, 연료전지 시스템(2000)은 수소 발생기(1100a, 1100b)와, 전원(1200)과, 개질기(1300)와, SOFC(2400)를 포함한다. 개질기(1300)에 배출되는 수소, 탄화수소 및 일산화탄소는 SOFC(2400)에 연료로 공급되며, SOFC(2400)는 이산화탄소를 생성물로 배출한다. SOFC(2400)에 배출되는 이산화탄소는 수소 발생기(1100a, 1100b)로 공급된다. 즉, 수소 발생기(1100a, 1100b)는 개질기(1300) 및 SOFC(2400)에서 발생한 이산화탄소를 공급받아 제거하면서 수소를 생산하여 SOFC(2400)의 연료로 공급하게 된다. 나머지 구성은 도 3에 도시된 실시예와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.Referring to FIG. 4, the
도 5를 참조하면, 연료전지 시스템(3000)은 수소 발생기(1100a, 1100b)와, 전원(1200)과, SOFC(2400)를 포함한다. SOFC(2400)는 외부로부터 탄화수소를 연료로 공급받아서 이산화탄소를 생성물로 배출한다. SOFC(2400)에 배출되는 이산화탄소는 수소 발생기(1100a, 1100b)로 공급된다. 즉, 수소 발생기(1100a, 1100b)는 SOFC(2400)에서 발생한 이산화탄소를 공급받아 제거하면서 수소를 생산하여 SOFC(2400)의 연료로 공급하게 된다. 나머지 구성은 도 4에 도시된 실시예와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.Referring to FIG. 5, the
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.Although the present invention has been described through the above embodiments, the present invention is not limited thereto. The above embodiments may be modified or changed without departing from the spirit and scope of the present invention, and those skilled in the art will recognize that such modifications and changes also belong to the present invention.
1000 : 연료전지 시스템
1100 : 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치
1100a, 1100b : 수소 발생기 1110 : 반응 용기
1111 : 반응 공간 1112 : 제1 유입구
1113 : 제1 배출구 1115 : 전해질 용액
1118 : 환원전극 1120 : 이산화탄소 처리부
1121 : 수용 공간 122 : 제2 유입구
1123 : 연통구 1124 : 제2 배출구
1130 : 이산화탄소 순환 공급부 1140 : 연결관
1158 : 산화전극 1200 : 전원
1300 : 개질기 1400 : 연료전지
2400, 3400 : 고체산화물 연료전지1000: Fuel Cell System
1100: hydrogen generating and carbon dioxide removal unit
1100a, 1100b: hydrogen generator 1110: reaction vessel
1111: reaction space 1112: first inlet
1113: first outlet 1115: electrolyte solution
1118: cathode 1120: carbon dioxide treatment unit
1121: accommodation space 122: second inlet
1123: communication port 1124: second outlet
1130: carbon dioxide circulation supply unit 1140: connector
1158: anode 1200: power supply
1300: reformer 1400: fuel cell
2400, 3400: solid oxide fuel cell
Claims (21)
메탄과 수증기를 반응시켜서 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 발생시키는 메탄-수증기 개질기; 및
상기 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치에서 발생한 수소와, 상기 메탄-수증기 개질기로부터 수소, 일산화탄소 및 미반응 메탄을 연료로 공급받고, 이산화탄소를 생성물로 배출하는 연료전지를 포함하며,
상기 메탄-수증기 개질기에서 발생한 이산화탄소와 상기 연료전지로부터 배출되는 이산화탄소는 상기 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치에 원료로 공급되어서 제거되며,
상기 수소 발생 및 이산화탄소 제거 장치는, 반응 공간과, 상기 반응 공간에 수용되고 염소 음이온을 포함하는 전해질 수용액과, 상기 반응 공간에 배치되는 환원전극 및 산화전극을 구비하고, 외부에서 공급되는 전기 및 상기 메탄-수증기 개질기와 상기 연료전지로부터 공급되는 이산화탄소 기체를 이용하여 수소 기체를 발생시키는 수소 발생기를 포함하며,
상기 전해질 수용액에 용해되는 이산화탄소의 양이 설정 값 이상으로 유지되도록, 상기 산화전극에서 염소 음이온으로부터 전자가 분리되어 염소가스가 발생하는 염소발생반응을 발생시켜서 상기 전해질 수용액의 pH를 설정 값 이상으로 유지시키며,
상기 염소발생반응이 진행됨에 따라 상기 반응 공간 전체에서 상기 전해질 수용액은 pH가 증가하여 염기성화되면서 탄산수소나트륨 수용액으로 변하고, 상기 수소 기체와 상기 염소가스가 함께 발생하여 배출되는, 연료전지 시스템.Hydrogen generation and carbon dioxide removal device for generating hydrogen using electric energy as carbon dioxide as a raw material;
A methane-steam reformer which reacts methane with steam to generate hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide; And
Hydrogen generated in the hydrogen generating and carbon dioxide removal device, and a fuel cell receiving hydrogen, carbon monoxide and unreacted methane from the methane-steam reformer as a fuel, and discharges carbon dioxide as a product,
Carbon dioxide generated from the methane-steam reformer and carbon dioxide discharged from the fuel cell are removed by being supplied as raw materials to the hydrogen generation and carbon dioxide removal apparatus,
The hydrogen generation and carbon dioxide removal apparatus includes a reaction space, an electrolyte solution contained in the reaction space and containing a chlorine anion, a reduction electrode and an anode disposed in the reaction space, and electricity supplied from the outside. A methane-steam reformer and a hydrogen generator for generating hydrogen gas using carbon dioxide gas supplied from the fuel cell;
In order to maintain the amount of carbon dioxide dissolved in the electrolyte solution above a set value, electrons are separated from the chlorine anion at the anode to generate a chlorine generation reaction in which chlorine gas is generated, thereby maintaining the pH of the electrolyte solution above the set value. And
As the chlorine generation reaction proceeds, the electrolyte solution in the entire reaction space is changed to a sodium hydrogen carbonate solution as the pH is increased and basicized, and the hydrogen gas and the chlorine gas are generated and discharged together.
상기 연료전지는 고체산화물 연료전지(SOFC)인 연료전지 시스템.The method according to claim 15,
The fuel cell is a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell system.
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