KR20240070153A - 전기분해 장치 및 이의 작동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기분해 스택, 상기 전기분해 스택의 외부로 산소 기체 및 액체 상태인 물이 배출되는 제1 배출관, 상기 제1 배출관을 통해 상기 전기분해 스택과 연결된 기액 분리관, 제2 배출관을 통해 상기 기액 분리관과 연결된 진공 가스 배출기 및 상기 제2 배출관에 배치된 진공 제어 밸브를 포함하는 전기분해 장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 이산화탄소를 전기분해하는 전기분해 장치 및 이의 작동 방법에 관한 것이다.
이산화탄소는 지구 온난화를 일으키는 온실 가스로서 감축시켜야 하는 대상이다. 이산화탄소를 감축시키는 방법으로 포집이나 화학적 전환 또는 전기화학적 전환 등의 방법이 알려져 있다. 이 중 전기화학적 전환방법은 다른 합성 기체를 제조할 수 있도록 성분을 정밀하게 조절할 수 있어 단순히 이산화탄소를 제거하는 것보다 경제적인 이득을 얻을 수 있다. 또한, 이산화탄소를 물과 함께 전기 분해하여 일산화탄소, 에틸렌, 메탄, 개미산, 개미산염, 다양한 탄화수소 및 알데하이드 또는 알코올 등의 유기물을 얻을 수 있다.
이산화탄소가 전기화학적으로 분해되는 과정은 물의 전기분해 기술과 유사하지만, 강염기 분위기에서 전기화학 반응의 활성도가 좋아지기 때문에 일반적으로는 일정 농도의 KOH 수용액을 전해액으로 사용한다. 애노드에 물을 공급하면서 전류를 인가하면, 상기 물은 산소 기체 발생과 함께 수소 이온과 전자로 분해된다. 상기 전자는 외부 도선을 통해서 캐소드로 이동하고, 상기 수소 이온은 이온 선택성 분리막을 통해서 캐소드로 이동하게 된다. 이때, 이동된 상기 전자는 상기 캐소드로 공급된 이산화탄소 및 물과 함께 반응하여 일산화탄소와 수산화 이온(OH-)으로 분해가 되고, 생성된 수산화 이온은 애노드의 수소 이온(H+)과 반응하여 물을 생성함으로써 전기적 중성 상태가 된다. 상기 과정을 통해 이산화탄소의 전기화학적 분해 반응이 완성된다. 이때, 이산화탄소와 함께 공급된 상기 물은 상기 일산화탄소의 생성 반응과 별도로 이동된 상기 전자와 반응하여 전기분해되어 수소 기체를 발생시키고 동시에 수산화 이온을 생성하게 된다. 이러한 물과 전자의 반응은 상기 일산화탄소의 생성 반응과 경쟁 반응의 관계라고 할 수 있다. 상기 반응들은 전기화학 반응이기 때문에 전압을 조절하여 일산화탄소 생성량 및 수소/이산화탄소 비율을 용이하게 조절할 수 있다.
한편, 이산화탄소 전기분해 과정 중, 애노드에서 진행되는 산소 발생 반응(OER, Oxygen Evolution Reaction)에 의해 발생하는 산소 기체는 전극 촉매와 분리막 사이에 기포를 형성시키므로, 전기 분해 반응을 저해하고, 전기분해 장치의 효율을 저하시킬 수 있다. 따라서, 상기 산소 기체는 빠르게 배출 또는 제거되어야 할 필요가 있다. 종래에는 전기분해 과정 중 발생하는 산소 기체를 제거하기 위해, 애노드에 투입되는 전해액의 유속을 늘리거나, 셀 및/또는 스택의 유로 구조를 변경하거나, 가압이 가능한 형태로 스택 설계를 바꾸거나, 전극 표면 또는 분리막 표면을 개선하는 등의 셀 및/또는 스택의 내부에서 실험 조건 도는 소재를 변경하여 왔다. 다만, 셀 및/또는 스택의 내부 조건을 변경하는 것만으로는 생성된 산소 기체의 배출 및 제거 효율을 향상시키는 데에 한계가 있었다. 이에. 셀 및/또는 스택의 내부 조건을 변경하는 방법뿐만 아니라, 외부의 물리적인 요소를 더하여 산소 기체를 더 빠르게 배출할 수 있다면, 셀 및/또는 스택의 전기 분해 효율이 더욱 개선될 수 있다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 셀 및/또는 스택의 산소 발생 반응에 의해 산소 기체를 효과적으로 제거 또는 빠르게 배출시키는 전기분해 장치 및 이의 작동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 전기분해 장치 및 이의 작동 방법을 제공한다.
(1) 본 발명은 전기분해 스택, 상기 전기분해 스택의 외부로 기체 및 액체 가 배출되는 제1 배출관, 상기 제1 배출관을 통해 상기 전기분해 스택과 연결된 기액 분리관, 제2 배출관을 통해 상기 기액 분리관과 연결된 진공 가스 배출기 및 상기 제2 배출관에 배치된 진공 제어 밸브를 포함하는 전기분해 장치를 제공한다.
(2) 본 발명은 상기 (1)에 있어서, 상기 기액 분리관은 상기 전기분해 스택으로부터 배출된 기체와 액체를 분리하는 것인 전기분해 장치를 제공한다.
(3) 본 발명은 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 기액 분리관으로부터 분리된 기체는 상기 진공 가스 배출기에 의해 외부로 배출되고, 상기 기액 분리관으로부터 분리된 상기 액체는 상기 전기분해 스택으로 유입되는 것인 전기분해 장치를 제공한다.
(4) 본 발명은 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 진공 제어 밸브는 반복적으로 개폐되는 것인 전기분해 장치를 제공한다.
(5) 본 발명은 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전기분해 장치는 상기 기액 분리관과 상기 전기분해 스택 사이에 기액 분리기를 더 포함하는 것인 전기분해 장치를 제공한다.
(6) 본 발명은 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전기분해 장치는 상기 제1 배출관 및 제2 배출관 중 어느 하나 이상에 배치된 역류 방지 체크 밸브를 더 포함하는 전기분해 장치를 제공한다.
(7) 본 발명은 상기 (4)에 있어서, 상기 전기분해 장치는 상기 진공 제어 밸브의 개폐 시간을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것인 전기분해 장치를 제공한다.
(8) 본 발명은 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전기분해 장치는 이산화탄소를 전기분해하는 것인 전기분해 장치를 제공한다.
(9) 본 발명은 상기 (1) 내지 (8) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전기분해 장치는 이산화탄소를 전기분해하여 일산화탄소, 에틸렌, 메탄, 개미산, 탄화수소, 알데하이드 및 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 생성하는 것인 전기분해 장치를 제공한다.
(10) 본 발명은 전기분해 스택으로부터 생성된 기체를 제1 배출관을 통해 상기 전기분해 스택의 외부로 배출시키는 단계(S1), 상기 (S1) 단계에서 배출된 기체 및 상기 기체와 함께 배출된 액체를 기액 분리관에 의해 분리시키는 단계(S2) 및 상기 (S2) 단계에서 분리된 상기 기체는 진공 가스 배출기에 의해 외부로 배출되고, 상기 (S2) 단계에서 분리된 상기 액체는 상기 전기분해 스택으로 유입되는 단계(S3)를 포함하고, 상기 (S1) 단계는 진공 제어 밸브에 의해 상기 제1 배출관의 내부를 반복적으로 진공 및 비진공 상태로 변경하여 실시되는 것인 전기분해 장치 작동 방법을 제공한다.
본 발명의 전기분해 장치에 따르면, 외부의 물리적인 힘에 의해 셀 및/또는 스택 내부에서 발생한 산소 기체를 상기 셀 및/또는 스택의 외부로 빠르게 배출시킬 수 있으므로, 상기 셀 및/또는 스택을 포함하는 전기분해 장치의 이산화탄소 전기 분해의 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 전기분해 장치의 작동 방법에 따르면, 상기 셀 및/또는 스택의 외부로 연결된 배출관 내부에 펄스 효과로 OER 반응으로 생성되는 산소 기체를 빠르게 배출하여 전기화학 반응을 방해하는 요소를 최소화시켜 전기분해 효율을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 전기분해 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 전기분해 스택, 기액 분리관, 진공 가스 배출기 및 진공 제어 밸브를 포함하는 본 발명의 전기분해 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 상기 도 2에 따른 전기분해 장치에 제어부를 더 포함하는 본 발명의 전기분해 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 상기 도 3에 따른 전기분해 장치에 기액 분리기를 더 포함하는 본 발명의 전기분해 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 전기분해 스택, 기액 분리관, 진공 가스 배출기 및 진공 제어 밸브를 포함하는 본 발명의 전기분해 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
도 3은 상기 도 2에 따른 전기분해 장치에 제어부를 더 포함하는 본 발명의 전기분해 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 상기 도 3에 따른 전기분해 장치에 기액 분리기를 더 포함하는 본 발명의 전기분해 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이때, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
전기분해 장치
본 발명의 전기분해 장치는 전기분해 스택(10), 상기 전기분해 스택(10)의 외부로 기체 및 액체가 배출되는 제1 배출관(1), 상기 제1 배출관을 통해 상기 전기분해 스택(10)과 연결된 기액 분리관(20), 제2 배출관(2)을 통해 상기 기액 분리관(20)과 연결된 진공 가스 배출기(30) 및 상기 제2 배출관(2)에 배치된 진공 제어 밸브(40)를 포함한다.
상기 전기분해 스택(10)은 하나의 전기분해 셀 또는 2 이상의 전기분해 셀을 포함할 수 있으며, 상기 전기분해 셀은 애노드, 캐소드, 전해질 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 배치된 분리막을 포함할 수 있다. 상기 전기분해 스택(10)이 2 이상의 전기분해 셀을 포함하는 경우, 상기 전기분해 셀은 직렬로 적층된 구조를 형성할 수 있다. 상기 전기분해 스택(10)은 공급된 이산화탄소를 전기화학적 전환을 통해 원하는 물질을 생성할 수 있으며, 일 예로 일산화탄소를 생성할 수 있다. 상기 애노드는 산화 전극으로서 물을 산화시켜 산소를 발생시키며, 상기 캐소드는 환원 전극으로서 상기 캐소드로 투입된 반응물이 상기 애노드로부터 이동된 전자와 반응하여 생성물을 생성할 수 있다. 이 경우, 물을 산화시켜 산소를 발생시키는 반응을 산소 발생 반응(OER, Oxygen Evolution Reaction )이라 한다.
상기 산소 발생 반응을 통해 생성된 산소 기체는 전극 촉매와 분리막 사이에 기포를 형성시킬 수 있으며, 형성된 기포는 전기화학적 전환 즉, 전기분해 반응의 진행을 저해하는 역할을 할 수 있다.
상기 기체는 산소 발생 반응에 의해 생성된 산소 기체일 수 있고, 상기 액체는 미반응된 액체 상태의 물일 수 있다.
한편, 도 1은 종래의 전기분해 장치의 모식도를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 종래의 전기분해 장치는 외부에 추가 장치 또는 구성 없이 전기분해 스택(10-1)으로부터 배출되는 산소 기체와 액체 상태의 물을 분리하는 기액 분리기(50-1)만을 포함한다. 산소 기체와 액체 상태의 물은 혼합되어 제1 배출관(1-1)을 통해 기액 분리기(50-1)로 이동되고, 상기 기액 분리기에서 분리된 산소 기체는 제2 배출관(2-1)을 통해 외부로 배출되고, 상기 기액 분리기에서 분리된 액체 상태의 물은 펌프(200-1)에 의해 유입관(3-1)을 통해 다시 전기분해 스택(10-1)으로 재유입된다.
종래의 전기분해 장치에서는 상기 산소 기체를 제거하기 위해, 상기 애노드에 투입되는 전해액의 유속을 높이거나, 셀 유로를 산소 기체가 달라붙지 않도록 유로의 패턴 형상을 변경하거나, 전극 또는 분리막의 표면을 개질 처리하는 등의 작업을 통해 상기 산소 기체의 기포를 제거하였다. 다만, 전기분해 스택(10-1)의 내부 구조 및 소재를 변경하는 것만으로는 산소 기체를 제거하는 효율에 한계가 있었다.
도 2는 전기분해 스택, 기액 분리관, 진공 가스 배출기 및 진공 제어 밸브를 포함하는 본 발명의 전기분해 장치의 모식도를 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 본 발명은 전기분해 스택(10)의 외부에 진공 가스 배출기(30)를 추가하여, 상기 전기분해 스택(10)의 외부에서 상기 산소 기체를 보다 빠르게 흡입함으로써, 상기 전기분해 스택(10)의 내부의 산소 기체를 빠르게 배출시킬 수 있고, 이에, 전기분해 반응의 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 전기분해 장치는 배출관 및 유입관(6)을 포함할 수 있다. 상기 배출관은 상기 전기분해 스택(10), 기액 분리관(20), 진공 가스 배출기(30) 및 기액 분리기(50)를 연결하는 관으로서, 상기 전기분해 스택(10)으로부터 배출되는 산소 기체 및/또는 액체 상태의 물이 이동하는 유로를 의미한다. 구체적으로, 상기 배출관은 상기 전기분해 스택(10)과 기액 분리관(20)을 연결하는 제1 배출관(1), 상기 기액 분리관(20)과 진공 가스 배출기(30)를 연결하는 제2 배출관(2), 상기 기액 분리관(20)과 상기 기액 분리기(50)를 연결하는 제3 배출관(3), 상기 기액 분리기(50)와 상기 전기분해 장치 외부를 연결하는 제4 배출관(4) 및 상기 진공 가스 배출기(30)와 상기 제4 배출관(4)을 연결하는 제5 배출관(5)을 포함한다.
상기 유입관(6)은 상기 기액 분리기(50)와 상기 전기분해 스택(10)을 연결하는 관을 의미하며, 구체적으로, 기액 분리관(20) 및/또는 기액 분리기(50)를 통해 산소 기체와 분리된 액체 상태의 물이 다시 재순환되어 상기 전기분해 스택(10)으로 재유입되는 유로를 의미한다.
상기 배출관 및 유입관(6)은 원통의 관 형태일 수 있고, 직경이 0.25 in(약 1.905 cm)이상, 0.3 in 이상, 0.4 in 이상, 0.5 in 이상, 2 in(약 5.08 cm) 이하, 1.9 in 이하, 1.8 in 이하, 1.7 in 이하, 1.6 in 이하, 1.5 in 이하일 수 있으며, 상기 배출관 및 유입관(6)의 직경 및 상기 기액 분리관의 직경의 비율은 1:1 내지 5일 수 있다. 구체적으로, 1:1.2 내지 4.8, 1:1.4 내지 4.6, 1:1.6 내지 4.4, 1:1.8 내지 4.2, 1:2 내지 4일 수 있다.
또한, 셀 및 스택, 관 내부의 압력은 0.1 bar 이상 10 bar 이하 일 수 있다. 구체적으로, 0.1 bar 이상, 0.2 bar 이상, 0.4 bar 이상, 0.5 bar 이상, 0.7 bar 이상, 0.9 bar 이상, 1 bar 이상, 10 bar 이하, 9 bar 이하, 8 bar 이하, 7 bar 이하, 5 bar 이하, 4 bar 이하, 3 bar 이하, 2 bar 이하일 수 있다. 내부 압력이 상기 조건을 만족하는 경우, 배출관에서의 갑작스러운 압력 변화 없이 원활한 기체 배출을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 전기분해 장치는 상기 기액 분리관(20)을 포함하고, 상기 기액 분리관(20)은 상기 제1 배출관(1)을 통해 상기 전기분해 스택(10)과 연결될 수 있다. 상기 기액 분리관(20)은 상기 전기분해 스택(10)으로부터 배출된 산소 기체와 액체 상태인 물을 분리할 수 있으며, 상기 기액 분리관(20)으로부터 분리된 산소 기체는 상기 진공 가스 배출기(30)에 의해 외부로 배출되고, 상기 기액 분리관(20)으로부터 분리된 상기 액체 상태인 물은 상기 전기분해 스택(10)으로 유입될 수 있다.
상기 기액 분리관(20)은 기체 및 액체의 비중 차이를 고려하여, 상기 기액 분리관(20)의 단면적 기준 상부에는 산소 기체가 이동할 수 있고, 상기 기액 분리관(20)의 단면적 기준 하부에는 액체 상태의 물이 이동할 수 있다. 상기 기액 분리관(20)의 상부는 상기 진공 가스 배출기(30)에 의해 상기 산소 기체가 외부로 배출될 수 있도록 제2 배출관(2)이 연결되어 있을 수 있다. 상기 기액 배출관을 통해 미처 분리되지 못한 산소 기체 및 액체 상태의 물은 제3 배출관(3)으로 연결된 기액 분리기(50)로 이동될 수 있고, 상기 기액 분리기(50)에서 최종적으로 산소 기체와 액체 상태의 물이 분리될 수 있다.
상기 기액 분리관(20)은 원통의 관 형태일 수 있고, 최종 스택의 전체 부피보다 약 2 배 이상, 2.2 배 이상, 2.4 배 이상, 2.6 배 이상, 2.8 배 이상, 3 배 이상, 3.2 배 이상, 5 배 이하, 4.8 배 이하, 4.6 배 이하, 4.4 배 이하, 4.2 배 이하, 4 배 이하, 3.8 배 이하일 수 있다. 또한, 상기 기액 분리관(20)의 직경은 1 in 이상, 1.2 in 이상, 1.4 in 이상, 1.7 in 이상, 1.9 in 이상, 2 in 이상, 10 in 이하, 9 in 이하, 8 in 이하, 7 in 이하, 6 in 이하, 5 in 이하일 수 있으며, 상기 기액 분리관(20)은 상기 배출관 및 유입관의 직경보다 클 수 있다. 상기 조건을 만족하는 경우 기액 분리 반응이 원활하게 실시되고, 적절한 전기분해 장치의 부피를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 전기분해 장치는 상기 진공 가스 배출기(30)를 포함하고, 상기 진공 가스 배출기(30)는 상기 전기분해 스택(10)으로부터 배출되어 상기 기액 분리관(20)에 의해 분리된 산소 기체를 흡입하는 역할을 할 수 있다. 본 발명의 전기분해 장치는 진공 펌프(100)를 더 포함할 수 있고, 상기 진공 가스 배출기(30)는 상기 진공 펌프(100)와 연결되어 진공 상태를 계속 유지할 수 있으며, 상기 전기분해 스택(10)과 압력 차이를 이용하여 산소 기체를 빠르게 흡입할 수 있다. 상기 진공 가스 배출기(30)는 상기 진공 펌프(100)에 의해 저진공 상태를 유지할 수 있으며, 상기 저진공 상태의 압력은 760 Torr 이하, 1 Torr 이상, 0.1 Torr 이상일 수 있다.
본 발명은 상기 진공 가스 배출기(30)를 상기 전기분해 스택(10)의 외부에 배치시킴으로써, 종래의 기액 분리기(50)만으로 산소 기체와 액체 상태의 물을 분리하는 전기분해 장치에 비해, 펌프(200) 전력 소모를 줄일 수 있고, 상기 전기분해 스택(10)의 외부에서 물리적인 힘을 통해 종래 보다 빠르고 효율적으로 산소 기체를 제거할 수 있다. 상기 진공 가스 배출기의 직경(30)은 배출관과 동일한 직경일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 전기분해 장치는 상기 진공 제어 밸브(40)를 포함하고, 상기 진공 제어 밸브(40)는 상기 제2 배출관(2)에 배치될 수 있다. 상기 진공 제어 밸브(40)는 일정 주기마다 반복적으로 개폐되어, 상기 제1 배출관(1) 및 제2 배출관(2) 내부를 진공 또는 비진공 상태로 변경할 수 있고, 상기 제1 배출관(1) 및 제2 배출관(2) 내부에 진동 효과를 줄 수 있다. 상기 진동 효과에 의해 상기 진공 가스 배출기(30)와 상기 전기분해 스택(10) 간의 압력 차이가 커졌다 작아졌다를 반복할 수 있고, 이 경우 상기 전기분해 스택(10)으로부터의 산소 기체 흡입 효율이 더 향상될 수 있다.
도 3은 전기분해 스택, 기액 분리관, 진공 가스 배출기 및 진공 제어 밸브를 포함하는 상기 전기분해 장치에 제어부를 더 포함하는 본 발명의 전기분해 장치의 모식도를 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 전기분해 장치는 상기 진공 제어 밸브(40)의 개폐를 제어하는 제어부(70)를 더 포함할 수 있다. 상기 제어부(70)는 상기 진공 제어 밸브(40)와 연결되어 상기 진공 제어 밸브(40)의 개폐를 자동적으로 제어할 수 있다. 구체적으로, 상기 제어부(70)에 상기 진공 제어 밸브(40)의 개방 및 폐쇄의 시간을 입력함으로써, 상기 진공 제어 밸브(40)의 개폐는 자동적으로 제어 가능할 수 있다. 상기 진공 제어 밸브(40)의 개방 및 폐쇄의 시간은 각각 독립적으로, 10초 이상, 20초 이상, 30초 이상, 40초 이상, 50초 이상, 10분 이하, 9분 이하, 8분 이하, 7분 이하, 6분 이하, 5분 이하, 4분 이하, 3분 이하, 2분 이하, 1분 이하일 수 있다.
도 4는 전기분해 스택, 기액 분리관, 진공 가스 배출기, 진공 제어 밸브 및 제어부를 포함하는 상기 전기분해 장치에 제어부를 더 포함하는 본 발명의 전기분해 장치의 모식도를 나타낸 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기분해 장치는 상기 기액 분리관(20)과 상기 전기분해 스택(10) 사이에 기액 분리기(50)를 더 포함할 수 있고, 상기 기액 분리기(50)는 상기 기액 분리관(20)에서 분리되지 못한 산소 기체와 액체 상태의 물을 분리할 수 있다. 상기 기액 분리기(50)는 기체와 액체의 비중 차이를 이용한 것으로 산소 기체와 액체 상태의 물을 분리하는 역할을 할 수 있다. 특히, 본 발명의 기액 분리관(20)을 통해 미처 분리되지 못한 산소 기체 및 액체 상태의 물을 최종적으로 분리하는 역할을 할 수 있다. 상기 기액 분리기(50)에서 분리된 산소 기체는 제4 배출관(4)을 통해 상기 전기분해 장치의 외부로 배출될 수 있고, 상기 기액 분리기(50)에서 분리된 액체 상태의 물은 펌프(200)를 통해 다시 재순환되어 상기 전기분해 스택(10)의 내부로 유입될 수 있다. 이 경우, 상기 액체 상태의 물은 유입관(6)을 통해 상기 전기분해 스택(10)으로 이동될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기분해 장치는 상기 진공 제어 밸브(40) 및 상기 전기분해 스택(10) 사이에 배치된 상기 제1 배출관(1) 및 제2 배출관(2) 중 어느 하나 이상에 배치된 역류 방지 체크 밸브를 더 포함할 수 있다. 상기 역류 방지 체크 밸브는 상기 진공 제어 밸브(40)를 통해 진동 효과가 제1 배출관(1) 및 제2 배출관(2) 내부에 전달되었을 때 상기 산소 기체와 액체 상태의 물의 역류를 방지하는 역할을 할 수 있다. 상기 역류 방지 밸브는 제1 배출관(1) 또는 제2 배출관(2) 중 어느 하나에 배치될 수 있고, 복수 개의 역류 방지 체크 밸브가 배치될 수 있다. 상기 진공 제어 밸브(40)는 상기 진공 제어 밸브(40)보다 앞서 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
전기분해 장치의 작동 방법
본 발명은 상기 전기분해 장치를 이용한 전기분해 장치의 작동 방법을 제공한다.
상기 전기분해 장치의 작동 방법 중 상기 전기분해 장치에 관한 설명은 상술한 내용과 동일하므로, 이하 상기 전기분해 장치를 이용한 작동 방법에 대해서만 설명한다.
본 발명의 전기분해 장치 작동 방법은 전기분해 스택으로부터 생성된 산소 기체를 제1 배출관을 통해 상기 전기분해 스택의 외부로 배출시키는 단계(S1), 상기 (S1) 단계에서 배출된 산소 기체 및 상기 산소 기체와 함께 배출된 액체 상태인 물을 기액 분리관에 의해 분리시키는 단계(S2) 및 상기 (S2) 단계에서 분리된 상기 산소 기체는 진공 가스 배출기에 의해 외부로 배출되고, 상기 (S2) 단계에서 분리된 상기 액체 상태인 물은 상기 전기분해 스택으로 유입되는 단계(S3)를 포함하고, 상기 (S1) 단계는 진공 제어 밸브에 의해 상기 제1 배출관의 내부를 반복적으로 진공 및 비진공 상태로 변경하여 실시될 수 있다.
구체적으로, 상기 (S1) 단계는 전기분해 스택에서 이산화탄소에 대한 전기분해 반응이 진행되고 생성된 산소 기체를 배출관을 통해 배출시킴으로서 실시될 수 있다. 이 경우, 상기 진공 가스 배출기에 의해 상기 산소 기체가 보다 효율적으로 배출될 수 있다. 상기 진공 가스 배출기는 상기 진공 가스 배출기에 연결된 진공 펌프에 의해 진공 상태를 유지할 수 있으며, 상기 진공 상태는 상술한 바와 같이 저진공 상태일 수 있다. 이 경우, 진공 제어 밸브에 의해 배출관의 내부가 진공 및 비진공 상태로 일정 주기 마다 변경될 수 있는데, 이는 제어부를 통해 상기 진공 제어 밸브의 개방 및 폐쇄의 시간을 설정하여 상기 진공 제어 밸브를 작동시킬 수 있다.
상기 (S2) 단계는 상기 기액 분리관에 의해 상기 산소 기체와 함께 배출된 액체 상태의 물을 서로 분리하여 실시될 수 있다. 이 경우, 산소 기체와 액체 상태의 물은 비중 차에 의해 상기 산소 기체는 중력 방향을 기준으로, 상기 기액 분리관의 직경의 상부에 위치할 수 있고, 상기 액체 상태의 물은 상기 기액 분리관의 직경의 하부에 위치할 수 있다.
상기 (S3) 단계는 상기 산소 기체는 진공 가스 배출기 측으로 이동한 후 외부로 배출되고, 상기 액체 상태의 물은 다시 재순환되어 전기분해 스택으로 재 유입됨으로써 실시될 수 있다. 이 경우, 상기 기액 분리관에서 미처 분리되지 못한 산소 기체와 액체 상태의 물은 기액 분리기를 통해 최종적으로 분리될 수 있으며, 상기 액체 상태의 물은 펌프를 통해 상기 전기분해 스택 내부로 재 유입될 수 있다.
상기 전기분해 스택 내부에서 발생한 산소 기체는 액체 상태의 물과 혼합되어 상기 전기분해 스택 외부로 배출될 수 있다. 상기 진공 가스 배출기에 의한 압력 차이로 상기 산소 기체 및 액체 상태의 물은 제1 배출관을 통해 이동되고, 상기 기액 분리관을 통해 상기 산소 기체는 제2 배출관으로, 상기 액체 상태의 물은 제3 배출관으로 분리될 수 있다. 상기 산소 기체는 제2 배출관을 통해 상기 진공 가스 배출기를 거쳐 상기 전기분해 장치의 외부로 배출될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 배출관에 배치된 진공 제어 밸브를 통해 제1 배출관 및 제2 배출관을 진공 및 비진공 상태로 변경할 수 있고, 상기 상태 변경을 통해 상기 산소 기체의 이동을 보다 원활하게 할 수 있다.
상기 전기분해 스택 내부에서 배출된 액체 상태의 물은 상기 기액 분리관을 거쳐 재순환되어 다시 상기 전기분해 셀의 내부로 재유입될 수 있다. 이 경우, 상기 기액 분리관과 연결된 기액 분리기에 의해 미처 분리되지 못한 산소 기체가 분리될 수 있고, 최종적으로 산소 기체가 분리된 액체 상태의 물은 펌프를 통해 다시 상기 전기분해 셀 내부로 유입될 수 있다.
본 발명의 전기분해 장치 및 작동 방법에 의해 전기분해를 진행하는 경우, 산소 배출을 원활하게 할 수 있어, 전기분해 효율이 향상될 수 있고, 구체적으로, 이산화탄소 전환율, 일산화탄소 패러데이 효율을 높이고, 과전압을 낮출 수 있다.
전기분해 스택
본 발명의 전기분해 스택은 하나 또는 2 이상의 전기분해 셀을 포함할 수 있고, 상기 전기분해 셀은 애노드, 캐소드, 전해질 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 배치된 분리막을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전기분해 스택은 전기화학 전환 분야에 모두 활용 가능하며, 상기 전기분해 스택은 수전해 등의 전기화학 전환을 통해 유용한 화학물질을 생산할 수 있는 장치 및 이산화탄소 및 NOx 저감 및 전환에 활용될 수 있는 장치일 수 있다. 구체적으로 상기 전기분해 스택은 이산화탄소를 일산화탄소 및 에틸렌으로 전환하는 전기화학 전환 장치에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기분해는 자발적으로 발생하지 않는 분해 반응을 전류 또는 전압을 가하여 산화환원 반응을 통해 물질을 분해하는 것을 의미한다. 상기 애노드는 산화 전극으로서 물을 산화시켜 산소를 발생시키며, 상기 캐소드는 환원 전극으로서 상기 캐소드로 투입된 반응물이 상기 애노드로부터 이동된 전자와 반응하여 생성물을 생성할 수 있다. 또한, 상기 분리막은 상기 애노드 및 캐소드 사이에 배치될 수 있다. 상기 분리막은 그 자체로는 전기화학 반응에 참여하지 않는 비활성 소재로 구성될 수 있으나, 애노드 및 캐소드 사이에서 이온이 이동할 수 있는 경로를 제공하며, 상기 애노드와 상기 캐소드의 물리적 접촉을 분리하는 역할을 할 수 있다.
또한, 본 발명의 전기분해 장치의 상기 애노드와 상기 캐소드는 각각 촉매층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 캐소드 영역 내에서 이산화탄소와 함께 공급된 수증기는 캐소드 표면에서 전기환원반응에 의해 환원 생성물을 발생시킨다. 따라서, 상기 캐소드는 상기 캐소드 영역 측에 가습된 이산화탄소 기체를 골고루 공급하기 위해, 기체 확산층을 포함할 수 있다. 상기 캐소드가 소수성의 기체 확산층을 포함하는 경우, 공급된 이산화탄소를 상기 캐소드의 촉매층까지 원활하게 확산, 분배, 공급할 수 있다. 또한, 소수성의 기체 확산층은 수분 응축을 효과적으로 방지함으로써 이산화탄소의 공급이 지속적으로 균일하게 되도록 함과 동시에 전기분해 반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다. 또한, 상기 촉매층은 표면에 기체 투과 특성이 잘 발휘되도록 다공성 구조 등의 표면을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드는 물의 전기분해에 활성을 가지는 촉매를 포함할 수 있고, 상기 애노드의 촉매층은 산소 발생 반응을 위해 Pt, Au, Pd, Ir, Ag, Rh, Ru, Ni, Al, Mo, Cr, Co, Fe, Cu, Ti, W, 이들의 합금, 또는 혼합 금속 산화물, 예를 들어 Ta205, Ir02 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 본 발명의 이산화탄소 전기분해 장치에서의 상기 애노드는 이리듐 산화물(IrO2)으로 코팅된 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 캐소드에서 발생하는 이산화탄소 환원 반응은 수소 발생 반응과 경쟁하기 때문에, 수소 발생 반응에 요구되는 전압이 크면서 이산화탄소 환원 반응에 활성을 보이는 촉매를 포함할 수 있다. 상기 캐소드의 촉매층은 이산화탄소의 환원 반응을 위해 Sn, Sn 합금, Al, Au, Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu, Cu 합금, Ga, Hg, In, Mo, Nb, Ni, NiCo2O4, Ni 합금, Ni-Fe 합금, Pb, Rh, Ti, V, W, Zn 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 본 발명의 이산화탄소 전기분해 장치에서의 상기 캐소드는 은(Ag)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 분리막으로는 양이온 교환막(CEM, cation exchange membrane)이나 음이온 교환막(AEM, anion exchange membrane)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 양이온 교환막의 경우 촉매 작용에 의하여 캐소드에서 생성된 환원 물질이 애노드로 이동하여 산화하지 않도록 하는 결기막 역할을 할 수 있으며, 음이온의 투과를 억제하며 수소이온(H+)과 같은 양이온이 투과 가능한 분리상(分離像)일 수 있다. 또한, 상기 애노드에서 물을 산화시켜 수소이온(H+)이 발생하게 되고, 상기 수소이온이 과량으로 캐소드로 넘어가 이산화탄소가 전환되는 촉매의 활성 부위를 포화시켜 이산화탄소의 전환율을 감소시키는 문제점이 발생할 수 있다. 이 때, 상기 음이온 교환막은 캐소드로 넘어가는 상기 수소이온의 양을 감소시킬 수 있다. 상기 음이온 교환막은 수소이온의 이동을 막음으로써, 캐소드의 이산화탄소 전환 성능이 저해되는 것을 방지할 수 있고, OH-, HCO3 -, CO3 2- 과 같은 음이온이 투과 가능한 분리상을 의미할 수 있다.
또한, 상기 전해질은 KHCO3, K2CO3, KOH, KCl, KClO4, K2SiO3, Na2SO4, NaNO3, NaCl, NaF, NaClO4, CaCl2, Cs2CO3, H3PO4, KHPO4, 구아니디늄 양이온, H+ 양이온, 알칼리 금속 양이온, 암모늄 양이온, 알킬암모늄 양이온, 할라이드 이온, 알킬 아민, 보레이트, 카본에이트, 구아니디늄 유도체, 나이트라이트, 나이트레이트, 포스페이트, 폴리포스페이트, 퍼클로레이트, 실리케이트, 설페이트, 테트라알킬 암모늄염, 또는 이들의 혼합물을 함유하는 수용액으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상의 전해질을 사용할 수 있고, 구체적으로, 본 발명의 이산화탄소 전기분해 장치의 전해질은 KOH, KHCO3, Cs2CO3, H3PO4, 또는 H3PO4 및 KHPO4의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하는 수용액을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기체 확산층은 탄소섬유 천, 탄소섬유 펠트, 탄소섬유 종이 등 탄소 소재를 사용한 다공체나, 익스팬디드 메탈(Expanded Metal), 금속 메시(Metal Mesh) 등과 같은 그물 구조의 얇은 금속판으로 이루어진 금속 다공체를 사용할 수 있고, 본 발명의 이산화탄소 전기분해 장치에서 상기 기체 확산층은 탄소섬유 천을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기분해 셀 및/또는 스택은 전기화학 전환이 요구되는 모든 장치에 활용 가능하며 특히 이산화탄소를 전기화학적 분해하여 원하는 생성물을 얻을 수 있으며, 구체적으로, 상기 전기분해 장치는 이산화탄소를 전기분해하여 일산화탄소, 에틸렌, 메탄, 개미산, 탄화수소, 알데하이드 및 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 생성할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대해서 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
1, 2, 3, 4, 5: 제1, 2, 3, 4, 5 배출관
6: 유입관
10: 전기분해 스택
20: 기액 분리관
30: 진공 가스 배출기
40: 진공 제어 밸브
50: 기액 분리기
70: 제어부
100: 진공 펌프
200: 펌프
1-1,2-1: 종래 전기분해 장치의 제1, 2 배출관
3-1: 종래 전기분해 장치의 유입관
10-1: 종래 전기분해 장치의 전기분해 스택
50-1: 종래 전기분해 장치의 기액 분리기
200-1: 종래 전기분해 장치의 펌프
6: 유입관
10: 전기분해 스택
20: 기액 분리관
30: 진공 가스 배출기
40: 진공 제어 밸브
50: 기액 분리기
70: 제어부
100: 진공 펌프
200: 펌프
1-1,2-1: 종래 전기분해 장치의 제1, 2 배출관
3-1: 종래 전기분해 장치의 유입관
10-1: 종래 전기분해 장치의 전기분해 스택
50-1: 종래 전기분해 장치의 기액 분리기
200-1: 종래 전기분해 장치의 펌프
Claims (10)
- 전기분해 스택;
상기 전기분해 스택의 외부로 기체 및 액체가 배출되는 제1 배출관;
상기 제1 배출관을 통해 상기 전기분해 스택과 연결된 기액 분리관;
제2 배출관을 통해 상기 기액 분리관과 연결된 진공 가스 배출기; 및
상기 제2 배출관에 배치된 진공 제어 밸브를 포함하는 전기분해 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 기액 분리관은 상기 전기분해 스택으로부터 배출된 기체와 액체를 분리하는 것인 전기분해 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 기액 분리관으로부터 분리된 기체는 상기 진공 가스 배출기에 의해 외부로 배출되고, 상기 기액 분리관으로부터 분리된 상기 액체는 상기 전기분해 스택으로 유입되는 것인 전기분해 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 진공 제어 밸브는 반복적으로 개폐되는 것인 전기분해 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전기분해 장치는 상기 기액 분리관과 상기 전기분해 스택 사이에 기액 분리기를 더 포함하는 것인 전기분해 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전기분해 장치는 상기 제1 배출관 및 제2 배출관 중 어느 하나 이상에 배치된 역류 방지 체크 밸브를 더 포함하는 전기분해 장치.
- 청구항 4에 있어서,
상기 전기분해 장치는 상기 진공 제어 밸브의 개폐 시간을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것인 전기분해 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전기분해 장치는 이산화탄소를 전기분해하는 것인 전기분해 장치.
- 청구항 1에 있어서,
상기 전기분해 장치는 이산화탄소를 전기분해하여 일산화탄소, 에틸렌, 메탄, 개미산, 탄화수소, 알데하이드 및 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 생성하는 것인 전기분해 장치.
- 전기분해 스택으로부터 생성된 기체를 제1 배출관을 통해 상기 전기분해 스택의 외부로 배출시키는 단계(S1);
상기 (S1) 단계에서 배출된 기체 및 상기 기체와 함께 배출된 액체를 기액 분리관에 의해 분리시키는 단계(S2); 및
상기 (S2) 단계에서 분리된 상기 기체는 진공 가스 배출기에 의해 외부로 배출되고, 상기 (S2) 단계에서 분리된 상기 액체는 상기 전기분해 스택으로 유입되는 단계(S3)를 포함하고,
상기 (S1) 단계는 진공 제어 밸브에 의해 상기 제1 배출관의 내부를 반복적으로 진공 및 비진공 상태로 변경하여 실시되는 것인 전기분해 장치 작동 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220151651A KR20240070153A (ko) | 2022-11-14 | 2022-11-14 | 전기분해 장치 및 이의 작동 방법 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020220151651A KR20240070153A (ko) | 2022-11-14 | 2022-11-14 | 전기분해 장치 및 이의 작동 방법 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| KR20240070153A true KR20240070153A (ko) | 2024-05-21 |
Family
ID=91320713
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220151651A Pending KR20240070153A (ko) | 2022-11-14 | 2022-11-14 | 전기분해 장치 및 이의 작동 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240070153A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017002344A (ja) | 2015-06-08 | 2017-01-05 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | ガス生成装置とガス生成方法 |
-
2022
- 2022-11-14 KR KR1020220151651A patent/KR20240070153A/ko active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2017002344A (ja) | 2015-06-08 | 2017-01-05 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | ガス生成装置とガス生成方法 |
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| PA0201 | Request for examination |
Patent event code: PA02012R01D Patent event date: 20240223 Comment text: Request for Examination of Application Patent event code: PA02011R01I Patent event date: 20221114 Comment text: Patent Application |
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