KR20210021834A - 수소생산발전기 및 수소생산방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소생산발전기 및 수소생산방법에 관한 것으로, 본 발명은 수소생산발전기 및 수소생산방법에 관한 것으로, 전기화학적으로 수소 및 전기를 동시에 생산하는 장치에 있어서, 제1반응물 및 제2반응물로 구성된 혼합수용액을 공급하는 제1투입부, 상기 제1투입부로부터 상기 제1반응물 및 상기 제2반응물을 공급받아 화학적 반응을 하는 애노드전극(anode),제3반응물을 공급하는 제2투입부, 상기 제2투입부로부터 상기 제3반응물을 공급받아 화학적 반응을 하는 캐소드전극(cathode), 상기 애노드전극 및 상기 캐소드전극 사이에 배치되는 양이온 교환막, 상기 애노드전극에서 생성되는 제1생성물이 배출되는 제1배출부 및 상기 캐소드전극에서 생성되는 수소 및 제2생성물이 배출되는 제2배출부를 포함하는 수소생산발전기를 제공한다.
Description
본 발명은 수소생산발전기 및 수소생산방법에 관한 것이다.
석탄, 천연가스 등과 같은 화석연료의 연소로 발생된 CO2 배출에 의한 지구온난화의 영향을 감소시키기 위하여 CO2를 배출하지 않는 신재생에너지에 대한 관심과 연구가 활발히 진행되고 있다.
신재생에너지 중 한 개인 연료전지는 수소와 산소의 화학에너지를 전기에너지로 전환시키는 기술로 배출물로 물만을 배출하며 시스템이 비교적 간단하고 소음이 적어 분산형 발전에 활용될 높은 잠재력을 가지고 있다. 단, 연료전지가 신재생에너지로 인정받기 위해서는 친환경적으로 제조한 수소가 상기연료로 활용돼야 한다.
수소는 화석연료개질, 녹조, 미생물, 열화학싸이클/금속산화물을 이용한 수소생산, 물 전기분해 등 다양한 방법으로 생산이 가능하다. 이중 물 전기분해는 전기에너지를 투입하여 수소와 산소를 생산하는 기술로, 이때 투입되는 전기에너지를 태양광 및 풍력발전과 같은 재생에너지로부터 발생되는 잉여전력을 이용할 경우, CO2-free로 수소를 생산 할 수 있다.
상기에서 언급한 바와 같이 물과 유기물을 이용한 전기화학적 수소생산기술은 전기에너지를 전해셀에 투입하여 전위차를 발생시켜 수소를 생산하는 기술로 운전을 위해서는 많은 양의 전기에너지가 투입돼야만 한다. 투입되는 전기에너지는 공정의 총 에너지 소비량의 가장 큰 부분을 차지하고 있어, 경제성 및 상용화를 위해서는 투입되는 전기에너지를 줄여 효율을 높이는 노력이 필요하다.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 목적은, 전기화학적으로 수소를 생산함과 동시에 전기를 생산할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 전기화학적으로 수소 및 전기를 동시에 생산하는 장치에 있어서, 제1반응물 및 제2반응물로 구성된 혼합수용액을 공급하는 제1투입부, 상기 제1투입부로부터 상기 제1반응물 및 상기 제2반응물을 공급받아 화학적 반응을 하는 애노드전극(anode), 제3반응물을 공급하는 제2투입부, 상기 제2투입부로부터 상기 제3반응물을 공급받아 화학적 반응을 하는 캐소드전극(cathode)전극, 상기 애노드전극 및 상기 캐소드전극 사이에 배치되는 양이온 교환막, 상기 애노드전극에서 생성되는 제1생성물이 배출되는 제1배출부 및 상기 캐소드전극에서 생성되는 수소 및 제2생성물이 배출되는 제2배출부를 포함하는 수소생산발전기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드전극 및 상기 캐소드전극과 연결되고, 직류를 교류로 변환하는 전력변환장치를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1투입부는 제1반응물 및 제2반응물로 구성된 혼합수용액을 상기 애노드전극으로 공급하고, 상기 제1반응물은 산화반응물로 메탄올, 에탄올, 암모늄 및 포름산염 중 선택되는 한 개 이상을 포함하며, 상기 제2반응물은 염기성용액으로 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2투입부는 상기 제3반응물을 상기 캐소드전극으로 공급하고, 상기 제3반응물은 산성용액으로 황산, 질산 및 염산 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드전극은 팔라듐, 팔라듐 합금, 백금 및 백금 합금 중 선택되는 한 개 이상을 포함하고, 상기 캐소드전극은 백금, 백금 합금, 팔라듐, 니켈 및 코발트 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 수소생산발전기를 이용한 수소생산방법으로, 제1반응물 및 제2반응물로 구성된 혼합수용액을 애노드전극으로 공급하는 단계, 제3반응물을 캐소드전극으로 공급하는 단계 및 상기 애노드전극에서 제1생성물을 생성하고, 상기 캐소드전극에서 수소 및 제2생성물을 생성하는 단계를 포함하는 수소생산방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1반응물은 산화반응물로 메탄올, 에탄올, 암모늄 및 포름산염 중 선택되는 한 개 이상을 포함하고, 상기 제2반응물은 염기성용액으로 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드전극은 상기 제1투입부로부터 공급받은 혼합수용액이 산화반응을 하여 제1생성물, 물 및 전자가 생성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혼합수용액의 pH값은 pH8 내지 pH14인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제3반응물은 산성용액으로 수용액 형태로 공급되며, 상기 산성용액은 황산, 질산 및 염산 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 캐소드전극은 상기 애노드전극으로부터 생성된 상기 양이온을 공급받고, 상기 산성용액과 환원반응을 하여 수소 및 제2생성물을 생성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양이온은 양이온투과막을 통하여 상기 애노드전극으로부터 상기 캐소드전극으로 공급되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 수소생산발전기 및 수소생방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예들 중 적어도 한 개에 의하면, 전기화학적으로 수소를 생산함과 동시에 전기를 생산할 수 있는 장치를 제공하는 효과가 있다.
또한, 수소와 전기를 동시에 생산할 수 있어, 전기에너지 소비량을 획기적으로 절감하여 경제성을 확보할 수 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 수소생산발전기에 대한 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 수소생산발전기를 통한 수소생산방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수소생산발전기를 통한 수소생산방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 지시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"한, 특정 기능을 수행하는 한 개의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 수소생산발전기(100)에 대한 개략도를 나타낸다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 수소생산발전기(100)는 제1반응물 및 제2반응물로 구성된 혼합수용액을 공급하는 제1투입부(110), 상기 제1투입부(110)로 부터 상기 혼합수용액을 공급받아 화학적 반응을 하는 애노드전극(120), 제3반응물을 공급하는 제2투입부(130), 상기 제2투입부(130)로부터 상기 제3반응물을 공급받아 화학적 반응을 하는 캐소드전극(140, cathode), 상기 애노드전극(120) 및 상기 캐소드전극(140) 사이에 배치되는 양이온 교환막(150), 상기 애노드전극(120)에서 생성되는 제1생성물이 배출되는 제1배출부(160), 및 상기 캐소드전극(140)에서 생성되는 수소 및 제2생성물이 배출되는 제2배출부(170)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수소생산발전기(100)는 상기 애노드전극(120) 및 상기 캐소드전극(140)과 연결되고, 상기 애노드전극(120)에서 생성된 전자를 전달받아 상기 캐소드전극(140)으로 전력을 공급하는 전력변환장치(180)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1투입부(110)는 상기 애노드전극(120)과 인접하여 위치하는 것으로, 상기 제1투입부(110)는 제1반응물 및 제2 반응물로 구성된 혼합수용액을 상기 애노드전극(120)으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1반응물은 산화반응물로서 메탄올, 에탄올, 암모늄 및 포름산염 중 선택되는 한 개 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 제2반응물과 반응하여 산화반응을 하는 반응물을 선택하여 사용할 수 있다.
상기 제2반응물은 염기성 용액으로 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 중 선택되는 한 개 이상을 포함할 수 있다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 강한 염기성을 띄는 반응물을 선택하여 사용할 수 있다.
상기 애노드전극(120)은 제1투입부(110)로 투입된 혼합수용액이 산화반응이 일어나는 전극으로, 산화반응물을 전기화학적으로 산화시키는 촉매로 구성될 수 있다.
상세하게는 애노드전극(120)은 팔라듐, 팔라듐 합금, 백금 및 백금 합금 중 선택되는 한 개 이상을 포함할 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 산화반응물을 산화시키는 촉매를 선택하여 사용할 수 있다.
상기 제2투입부(130)는 상기 캐소드전극(140)과 인접하여 위치하는 것으로, 상기 제2투입부(130)는 제3반응물을 투입하여 상기 캐소드전극(140)으로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3반응물은 산성용액으로 황산, 질산 및 염산 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 캐소드전극(140)은 제2투입부(130)로 투입된 산성용액이 환원반응이 일어나는 전극으로, 산성용액을 전기화학적으로 환원시켜 수소를 발생시키는 촉매로 구성될 수 있다. 예를 들어, 캐소드전극(140)은 백금, 백금 함금, 팔라듐, 니켈 및 코발트 중 선택되는 한 개 이상을 을 포함할 수 있다.
상기 양이온교환막(150)은 애노드전극(120) 및 캐소드전극(140)사이에 위치하는 것으로 음이온은 통과시키지 않고 양이온을 선택적으로 통과시키는 것을 특징으로 한다.
다시 말해, 상기 애노드전극(120)으로부터 형성된 양이온이 상기 양이온교환막(150)을 통과하여 상기 캐소드전극(140)으로 공급되는 것으로, 더욱 상세하게는, 상기 애노드전극(120)의 산화반응으로부터 형성된 나트륨이온 또는 칼륨이온이 상기 양이온교환막(150)을 통과하여 상기 캐소드전극(150)으로 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1배출부(160)는 상기 애노드전극(120)에서 산화반응에 의하여 생성되는 제1생성물이 배출되는 것으로 상기 제1투입부(110) 및 애노드전극(120)과 인접하여 위치할 수 있다.
상세하게는, 상기 제1배출부(160)로부터 배출되는 제1생성물은 상기 제1반응물인 산화반응물과 상기 제2반응물인 염기성 용액이 반응하여 생성되는 생성물일 수 있다.
상기 제2배출부(170)는 상기 캐소드전극(140)에서 환원반응에 의하여 생성되는 수소 및 제2생성물이 배출되는 것으로, 상기 제2투입부(130) 및 상기 캐소드전극(140)과 인접하여 위치할 수 있다.
상세하게는, 제2배출부(170)로부터 배출되는 수소 및 상기 제2생성물은 상기 제3반응물인 산성용액과 상기 애노드전극(120)으로부터 공급받은 양이온이 반응하여 생성된 생성물일 수 있다.
상기 젼럭변환장치(180)는 상기 애노드전극(120) 및 상기 캐소드전극(140)과 연결되는 것으로, 직류를 교류로 변환할 수 있다.
상세하게는, 애노드전극(120)에서 생성된 전자를 전달받아 전력변환장치(180)를 통해 변환하여 상기 캐소드전극(140)으로 전력을 공급할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 수소생산발전기를 통한 수소생산방법을 나타낸 흐름도를 나타낸다.
도 2를 참고하면, 제1반응물 및 제2반응물을 애노드전극(120)으로 공급하는 단계(S110), 제3반응물을 캐소드전극(130)으로 공급하는 단계(S120) 및 애노드전극(120)에서 제1생성물을 생성하고, 캐소드전극(140)에서 수소 및 제2생성물을 생성하는 단계(S130)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 수소생산발전기(100)를 이용한 수소생산방법(S110)은 상기 애노드전극(110)으로 공급되는 상기 제1반응물, 상기 제2반응물 및 상기 캐소드전극(130)으로 공급되는 상기 제3반응물의 전위차를 극대화시켜 전력생산과 동시에 수소를 생산하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1반응물 및 상기 제2반응물을 상기 애노드전극(120)으로 공급하는 단계(S110)는 상기 제1반응물인 산화반응물과 상기 제2반응물인 염기성용액을 혼합하여 혼합수용액을 상기 애노드전극(120)으로 공급하는 것을 의미한다.
제1반응물은 산화반응물로서 메탄올, 에탄올, 암모늄 및 포름산염 중 선택되는 한 개 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2반응물은 상기 제1반응물을 염기성용액으로 수산화나트륨 및 수산화칼륨 중 선택되는 한 개 이상을 포함할 수 있다
즉, 상기 혼합수용액은 상기 제2반응물인 염기성용액을 이용하여 상기 제1반응물인 산화반응물의 pH값을 제어하는 것으로, 상기 혼합수용액의 pH값을 제어함으로써 상기 제3반응물과 pH차이에 따른 전위차를 발생시킬 수 있다.
이에 따라, 상기 혼합수용액의 pH값은 pH8 내지 pH14일 수 있으며, 상세하게는 상기 혼합수용액의 pH값은 pH12 내지 pH14인 것이 바람직하다.
상기 제3반응물을 캐소드전극(140)으로 공급하는 단계(S120)는 상기 제3반응물을 제2투입부(130)를 통하여 상기 캐소드전극(130)으로 공급하는 것을 의미한다.
상기 제3반응물은 수용액형태의 산성용액이 공급되는 것으로, 상기 산성용액은 염산, 질산 및 황산 중 선택되는 한 개 이상을 포함할 수 있다.
즉, 상기 산성용액은 상기 혼합수용액과 pH 차이에 따른 전위차를 발생시키기 위한 것으로, 상기 캐소드전극(140)과 상기 애노드전극(120)의 전위차가 0보다 커야 한다. 이때, 전위차는 캐소드전극(140)의 전위에서 애노드전극(120)의 전위를 뺀 값을 의미한다.
따라서, 상기 전위차가 0보다 크게 유지하기 위해 캐소드전극(140)으로 공급되는 산성용액은 강산을 사용하는 것이 바람직하며, 상세하게는 상기 산성용액의 pH값은 pH0 내지 pH7일 수 있다. 더욱 상세하게는 상기 산성용액의 pH값은 pH0 내지 pH2인 것이 바람직하다.
상기 애노드전극(120)에서 제1생성물을 생성하고, 상기 캐소드전극(140)에서 수소 및 제2생성물을 생성하는 단계(S130)는 상기 제1생성물을 생성하여 제1배출부(160)를 통해 수집하고, 상기 수소 및 상기 제2생성물을 생성하여 제2배출부(170)를 통해 수집하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 상기 애노드전극(120)에서 상기 제1투입부(110)로부터 공급된 상기 혼합수용액의 산화반응에 의해 제1생성물이 생성될 수 있다.
상세하게는, 혼합 수용액의 메탄올, 에탄올, 암모늄 및 포름산염이 염기성용액과 반응하여 전기화학적으로 산화되면서 제1생성물 및 전자, 물이 생성되게 되며, 반응에 참여 후 이온상태로 존재하는 나트륨 또는 칼륨 이온이 더 포함되어 있을 수 있다. 이때, 상기 제1 생성물은 나트륨이온 또는 칼륨이온이 산화반응물과 결합된 화합물로 탄산수소나트륨 또는 탄산수소칼륨 등을 포함할 수 있으며, 상기와 같이 생성된 제1생성물 및 물은 제1배출부(160)를 통해 수집될 수 있다.
또한, 상기 생성물 중 전자는 상기 전력변환장치(180)로 이동되어 일부는 상기 캐소드전극(140)으로 공급될 수 있으며, 일부는 전력이 필요한 수요처에서 사용할 수 있다.
상기 캐소드전극(140)에서 상기 제2투입부(130)로부터 공급된 상기 산성용액의 환원반응에 의해 수소 및 제2생성물이 생성될 수 있다.
상세하게는, 제2투입부(130)로부터 공급된 상기 산성용액과 상기 애노드전극(120)으로부터 상기 양이온교환막(150)을 통해 전달될 나트륨이온 또는 칼륨이온이 반응하여 수소 및 제2생성물이 생성될 수 있다. 이때 제2 생성물은 나트륨이온 또는 칼륨이온이 산성용액의 염과 결합된 화합물로 질산나트륨, 황산 수소 나트륨, 질산칼륨, 황산수소칼륨 등을 포함할 수 있으며, 상기와 같이 생성된 수소 및 제2생성물은 상기 제2배출부(170)를 통해 수집될 수 있다. 이때, 제2배출부(170)를 통해 수집된 수소 및 제2생성물은 액체-고체 분리를 통해 가스와 액체 생성물을 분리하여 수집할 수 있다.
본 발명에 따른, 수소생산방법(S100)은 연속공정으로 이루어질 수 있다. 상세하게는, 상기 제1투입부(110) 및 상기 제2투입부(130)로 상기 혼합수용액 및 상기 산성용액이 공급되고, 반응에 의하여 상기 제1생성물 및 수소, 제2생성물이 생성되며, 생성된 생성물들을 제1배출부(160) 및 제2배출부(170)를 통해 수집함으로써 상기 수소생산발전기(100)를 통한 수소생산은 연속공정으로 이루어 질 수 있다. 즉, 반응물 공급 및 생성물 수집이 실시간으로 이루어지면서 연속적으로 수소를 생산할 수 있게 된다.
이하 본 발명을 실시예 및 실험예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
하기 화학식 1 내지 화학식 4는 애노드전극으로 공급되는 염기성용액으로 수산화나트륨을 사용하고, 캐소드전극으로 공급되는 산성용액으로 황산을 사용하였을 때, 제1반응물의 종류에 따라 각 전극에서 일어나는 화학반응식을 나타낸 것이다.
[화학식 1]
애노드전극: 1/3CH3OH(aq) + 7/3NaOH(aq) → 1/3NaHCO3(aq) + 5/3H2O + 2e- + 2Na+
캐소드전극: H2SO4(aq) + 2Na+ + 2e- → H2 + Na2SO4(aq)
전체반응식: 1/3CH3OH(aq) + H2SO4(aq) + 7/3NaOH(aq) → 1/3NaHCO3(aq) + 5/3H2O + H2 + Na2SO4(aq)
[화학식 2]
애노드전극: 1/6C2H5OH(aq) + 13/6NaOH(aq) → 1/6NaHCO3(aq) + 11/6H2O + 2e- + 2Na+
캐소드전극: H2SO4(aq) + 2Na+ + 2e- → H2 + Na2SO4(aq)
전체반응식: 1/6C2H5OH(aq) + H2SO4(aq) + 3/6NaOH(aq) → 1/6NaHCO3(aq) + 11/6H2O + H2 + Na2SO4(aq)
[화학식 3]
애노드전극: 2/3NH3 + 2NaOH(aq) → 1/3N2 + 2H2O + 2e- + 2Na+
캐소드전극: H2SO4(aq) + 2Na+ + 2e- → H2 + Na2SO4(aq)
전체반응식: 2/3NH3 + H2SO4(aq) + 2NaOH(aq) → 1/3N2 + H2 + Na2SO4(aq) + 6H2O
[화학식 4]
애노드전극: HCOONa(aq) + 2NaOH(aq) → NaHCO3(aq) + H2O + 2e- + 2Na+
캐소드전극: H2SO4(aq) + 2Na+ + 2e- → H2 + Na2SO4(aq)
전체반응식: HCOONa(aq) + H2SO4(aq) + 2NaOH(aq) → NaHCO3(aq) + Na2SO4(aq) + H2O
화학식 1내지 화학식 4를 통하여 애노드 전극에서 산화반응물이 OH-와 산화반응하여 전자 및 수산화나트륨, 물이 생성되는 것을 확인할 수 있으며, 캐소드 전극에서 황산수소가 전기화학적으로 환원반응하여 수소 및 황산 수소 나트륨이 생성되는 것을 확인 할 수 있다.
캐소드전극으로 공급되는 pH가 0일 때 애노드전극으로 공급되는 pH에 따른 셀전압 변화 및 애노드전극으로 공급되는 pH가 14일 때 캐소드전극으로 공급되는 pH에 따른 셀전압 변화를 측정하여 표 1에 나타내었다.
| 캐소드전극 pH0 일때 | 애노드전극 pH14일때 | ||
| 애노드전극 pH | 셀 전압 변화 | 캐소드전극 pH | 셀 전압 변화 |
| 7 | 기준 | 7 | 기준 |
| 8 | 0.059 V | 6 | 0.059 V |
| 9 | 0.118 V | 5 | 0.118 V |
| 10 | 0.177 V | 4 | 0.177 V |
| 11 | 0.236 V | 3 | 0.236 V |
| 12 | 0.295 V | 2 | 0.295 V |
| 13 | 0.354 V | 1 | 0.354 V |
| 14 | 0.413 V | 0 | 0.413 V |
셀 전압이 커질수록 전력생산 효율이 증가하게 된다. 이에 따라, 표 1을 참고하면, 캐소드전극으로 공급되는 산성용액의 pH가 0일 때 애노드전극으로 공급되는 염기성용액의 pH가 강염기일수록 셀 전압이 커지는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 애노드전극으로 공급되는 염기성용액의 pH가 14일 때, 캐소드전극으로 공급되는 산성용액의 pH가 강산일수록 셀전압이 커지는 것을 확인 할 수 있다. 즉, 이를 통하여 전력생산효율을 증가시키기 위하여 강산 및 강염을 사용하는 것이 효율적이라는 것을 확인 할 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
100: 수소생산발전기
110: 제1투입부
120: 애노드전극(anode)
130: 제2투입부
140: 캐소드전극(cathode)
150: 양이온교환막
160: 제1배출부
170: 제2배출부
180: 전력변환장치
110: 제1투입부
120: 애노드전극(anode)
130: 제2투입부
140: 캐소드전극(cathode)
150: 양이온교환막
160: 제1배출부
170: 제2배출부
180: 전력변환장치
Claims (12)
- 전기화학적으로 수소 및 전기를 동시에 생산하는 장치에 있어서,
제1반응물 및 제2반응물로 구성된 혼합수용액을 공급하는 제1투입부;
상기 제1투입부로부터 상기 제1반응물 및 상기 제2반응물을 공급받아 화학적 반응을 하는 애노드전극(anode);
제3반응물을 공급하는 제2투입부;
상기 제2투입부로부터 상기 제3반응물을 공급받아 화학적 반응을 하는 캐소드전극(cathode);
상기 애노드전극 및 상기 캐소드전극 사이에 배치되는 양이온 교환막;
상기 애노드전극에서 생성되는 제1생성물이 배출되는 제1배출부; 및
상기 캐소드전극에서 생성되는 수소 및 제2생성물이 배출되는 제2배출부;를 포함하는
수소생산발전기. - 제1항에 있어서,
상기 애노드전극 및 상기 캐소드전극과 연결되고,
상기 애노드전극에서 생성된 전자를 전달받아 상기 캐소드전극으로 전력을 공급하는 전력변환장치;를 더 포함하는 것인,
수소생산발전기. - 제1항에 있어서,
상기 제1투입부는 제1반응물 및 제2반응물로 구성된 혼합수용액을 상기 애노드전극으로 공급하고,
상기 제1반응물은 산화반응물로 메탄올, 에탄올, 암모늄 및 포름산염 중 선택되는 한 개 이상을 포함하고,
상기 제2반응물은 염기성용액으로 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것인,
수소생산발전기. - 제1항에 있어서,
상기 제2투입부는 상기 제3반응물을 상기 캐소드전극으로 공급하고,
상기 제3 반응물은 산성용액으로 황산, 질산 및 염산 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것인,
수소생산발전기. - 제1항에 있어서,
상기 애노드전극은 팔라듐, 팔라듐 합금, 백금 및 백금 합금 중 선택되는 한 개 이상을 포함하고,
상기 캐소드전극은 백금, 백금 합금, 팔라듐, 니켈 및 코발트 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것인
수소생산발전기. - 제1항 내지 제5항에 포함되는 수소생산발전기를 이용한 수소생산방법으로,
제1반응물 및 제2반응물로 구성된 혼합수용액을 애노드전극으로 공급하는 단계;
제3반응물을 캐소드전극으로 공급하는 단계; 및
상기 애노드전극에서 제1생성물을 생성하고, 상기 캐소드전극에서 수소 및 제2생성물을 생성하는 단계;를 포함하는
수소생산방법. - 제6항에 있어서,
상기 제1반응물은 산화반응물로 메탄올, 에탄올, 암모늄 및 포름산염 중 선택되는 한 개 이상을 포함하고,
상기 제2반응물은 염기성용액으로 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것인,
수소생산방법. - 제6항에 있어서,
상기 애노드전극은 상기 제1투입부로부터 공급받은 혼합수용액이 산화반응을 하여 제1 생성물, 물 및 전자가 생성되는 것인,
수소생산방법. - 제8항에 있어서,
상기 혼합수용액의 pH값은 pH8 내지 pH14인 것인,
수소생산방법. - 제6항에 있어서,
제3반응물은 산성용액으로 수용액 형태로 공급되며,
상기 산성용액은 황산, 질산 및 염산 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것인,
수소생산방법. - 제6항에 있어서,
상기 캐소드전극은 상기 애노드전극으로부터 생성된 상기 양이온을 공급받고,
상기 산성용액과 환원반응을 하여 수소 및 제2생성물을 생성하는 것인,
수소생산방법. - 제11항에 있어서,
상기 양이온은 양이온투과막을 통하여 상기 애노드전극으로부터 상기 캐소드전극으로 공급되는 것인,
수소생산방법.
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|---|---|---|---|
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