KR20210021834A - Hydrogen production generator and hydrogen production method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수소생산발전기 및 수소생산방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen production generator and a hydrogen production method.
석탄, 천연가스 등과 같은 화석연료의 연소로 발생된 CO2 배출에 의한 지구온난화의 영향을 감소시키기 위하여 CO2를 배출하지 않는 신재생에너지에 대한 관심과 연구가 활발히 진행되고 있다. In order to reduce the impact of global warming due to the emission of CO 2 generated by the combustion of fossil fuels such as coal and natural gas, interest and research on new and renewable energy that does not emit CO 2 are actively in progress.
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. One of the new renewable energies is a technology that converts chemical energy of hydrogen and oxygen into electric energy. It discharges only water as an emission, and has a high potential for use in distributed power generation due to its relatively simple system and low noise. However, in order for a fuel cell to be recognized as a new renewable energy, eco-friendly hydrogen must be used as the fuel.
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.Hydrogen can be produced by various methods such as fossil fuel reforming, green algae, microorganisms, hydrogen production using thermochemical cycles/metal oxides, and water electrolysis. Of these, water electrolysis is a technology that produces hydrogen and oxygen by inputting electrical energy. When using the surplus power generated from renewable energy such as solar and wind power, hydrogen is converted into CO 2 -free. Can be produced.
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.As mentioned above, the electrochemical hydrogen production technology using water and organic substances is a technology that generates hydrogen by introducing electric energy into an electrolysis cell to generate a potential difference, and a large amount of electric energy must be input for operation. Since the input electric energy accounts for the largest part of the total energy consumption of the process, efforts to increase the efficiency by reducing the input electric energy are required for economical and commercialization.
본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. It is an object of the present invention to solve the above and other problems.
또 다른 목적은, 전기화학적으로 수소를 생산함과 동시에 전기를 생산할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object is to provide an apparatus capable of producing electricity while electrochemically producing hydrogen.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.However, these problems are exemplary, and the scope of the present invention is not limited thereby.
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. According to an aspect of the present invention for achieving the above object, in an apparatus for electrochemically producing hydrogen and electricity at the same time, a first input unit for supplying a mixed aqueous solution composed of a first reactant and a second reactant, the first An anode for chemical reaction by receiving the first reactant and the second reactant from the first injection unit, a second injection unit for supplying a third reactant, and the third reactant from the second injection unit A cathode electrode that undergoes a chemical reaction, a cation exchange membrane disposed between the anode electrode and the cathode electrode, a first discharge part from which a first product generated from the anode electrode is discharged, and hydrogen generated from the cathode electrode, and It provides a hydrogen production generator including a second discharge unit from which the second product is discharged.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드전극 및 상기 캐소드전극과 연결되고, 직류를 교류로 변환하는 전력변환장치를 더 포함하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, a power conversion device connected to the anode electrode and the cathode electrode and converting direct current into alternating current may be further included.
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.According to an embodiment of the present invention, the first injection unit supplies a mixed aqueous solution consisting of a first reactant and a second reactant to the anode electrode, and the first reactant is an oxidation reactant in methanol, ethanol, ammonium, and formate. At least one selected is included, and the second reactant may include at least one selected from sodium hydroxide or potassium hydroxide as a basic solution.
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.According to an embodiment of the present invention, the second injection unit supplies the third reactant to the cathode electrode, and the third reactant is an acidic solution containing at least one selected from sulfuric acid, nitric acid, and hydrochloric acid. have.
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.According to an embodiment of the present invention, the anode electrode includes at least one selected from palladium, palladium alloy, platinum, and platinum alloy, and the cathode electrode is selected from platinum, platinum alloy, palladium, nickel, and cobalt. It may contain more than one.
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.According to another aspect of the present invention, in a hydrogen production method using a hydrogen production generator, supplying a mixed aqueous solution consisting of a first reactant and a second reactant to an anode electrode, supplying a third reactant to a cathode electrode, and the above It provides a hydrogen production method comprising the steps of generating a first product at an anode electrode and generating hydrogen and a second product at the cathode electrode.
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.According to an embodiment of the present invention, the first reactant includes at least one selected from methanol, ethanol, ammonium and formate as an oxidation reactant, and the second reactant is selected from sodium hydroxide or potassium hydroxide as a basic solution. It may be one that includes one or more.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드전극은 상기 제1투입부로부터 공급받은 혼합수용액이 산화반응을 하여 제1생성물, 물 및 전자가 생성되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the anode electrode may be one in which a mixed aqueous solution supplied from the first input unit undergoes an oxidation reaction to generate a first product, water, and electrons.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 혼합수용액의 pH값은 pH8 내지 pH14인 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the pH value of the mixed aqueous solution may be in the range of pH8 to pH14.
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.According to an embodiment of the present invention, the third reactant is supplied in the form of an aqueous solution as an acidic solution, and the acidic solution may include at least one selected from sulfuric acid, nitric acid, and hydrochloric acid.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 캐소드전극은 상기 애노드전극으로부터 생성된 상기 양이온을 공급받고, 상기 산성용액과 환원반응을 하여 수소 및 제2생성물을 생성하는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cathode electrode may be supplied with the cation generated from the anode electrode and undergo a reduction reaction with the acidic solution to generate hydrogen and a second product.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 양이온은 양이온투과막을 통하여 상기 애노드전극으로부터 상기 캐소드전극으로 공급되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the cation may be supplied from the anode electrode to the cathode electrode through the cation permeable membrane.
본 발명에 따른 수소생산발전기 및 수소생방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.The effects of the hydrogen production generator and the hydrogen generation method according to the present invention will be described as follows.
본 발명의 실시예들 중 적어도 한 개에 의하면, 전기화학적으로 수소를 생산함과 동시에 전기를 생산할 수 있는 장치를 제공하는 효과가 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, there is an effect of providing an apparatus capable of generating electricity while electrochemically producing hydrogen.
또한, 수소와 전기를 동시에 생산할 수 있어, 전기에너지 소비량을 획기적으로 절감하여 경제성을 확보할 수 있다.In addition, since hydrogen and electricity can be simultaneously produced, the consumption of electric energy can be drastically reduced and economical efficiency can be secured.
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.Further scope of the applicability of the present invention will become apparent from the detailed description below. However, since various changes and modifications within the spirit and scope of the present invention can be clearly understood by those skilled in the art, specific embodiments such as the detailed description and preferred embodiments of the present invention should be understood as being given by way of example only.
도 1은 본 발명에 따른 수소생산발전기에 대한 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 수소생산발전기를 통한 수소생산방법을 나타낸 흐름도이다.1 shows a schematic diagram of a hydrogen production generator according to the present invention.
Figure 2 is a flow chart showing a hydrogen production method through the hydrogen production generator according to the present invention.
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. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments of the present invention and drawings. These examples are only illustratively indicated to explain the present invention in more detail, and it will be apparent to those of ordinary skill in the art that the scope of the present invention is not limited by these examples. will be.
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. In addition, unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, and in case of conflict, the present specification including definitions The description of will take precedence.
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.In order to clearly describe the invention proposed in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification. And when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. In addition, "sub" described in the specification means one unit or block that performs a specific function.
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.In each step, the identification code (first, second, etc.) is used for convenience of explanation, and the identification code does not describe the order of each step, and each step does not clearly describe a specific sequence in the context. It may be implemented differently from the order specified above.
즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.That is, each of the steps may be performed in the same order as the specified order, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to enable those of ordinary skill in the art to easily implement the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 수소생산발전기(100)에 대한 개략도를 나타낸다.1 shows a schematic diagram of a
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.Referring to FIG. 1, the
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. In addition, the
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. The
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.The first reactant may include at least one selected from methanol, ethanol, ammonium and formate as an oxidation reactant. However, the present invention is not limited thereto, and a reactant that reacts with the second reactant to undergo an oxidation reaction may be selected and used.
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.The second reactant may include at least one selected from sodium hydroxide or potassium hydroxide as a basic solution. However, the present invention is not limited thereto, and a reactant having strong basicity may be selected and used.
상기 애노드전극(120)은 제1투입부(110)로 투입된 혼합수용액이 산화반응이 일어나는 전극으로, 산화반응물을 전기화학적으로 산화시키는 촉매로 구성될 수 있다.The
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.In detail, the
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.The
상기 제3반응물은 산성용액으로 황산, 질산 및 염산 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것일 수 있다.The third reactant may be an acidic solution containing at least one selected from sulfuric acid, nitric acid, and hydrochloric acid.
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. The
상기 양이온교환막(150)은 애노드전극(120) 및 캐소드전극(140)사이에 위치하는 것으로 음이온은 통과시키지 않고 양이온을 선택적으로 통과시키는 것을 특징으로 한다. The
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. In other words, the cation formed from the
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. The
상세하게는, 상기 제1배출부(160)로부터 배출되는 제1생성물은 상기 제1반응물인 산화반응물과 상기 제2반응물인 염기성 용액이 반응하여 생성되는 생성물일 수 있다. In detail, the first product discharged from the
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. The
상세하게는, 제2배출부(170)로부터 배출되는 수소 및 상기 제2생성물은 상기 제3반응물인 산성용액과 상기 애노드전극(120)으로부터 공급받은 양이온이 반응하여 생성된 생성물일 수 있다. Specifically, hydrogen and the second product discharged from the
상기 젼럭변환장치(180)는 상기 애노드전극(120) 및 상기 캐소드전극(140)과 연결되는 것으로, 직류를 교류로 변환할 수 있다.The
상세하게는, 애노드전극(120)에서 생성된 전자를 전달받아 전력변환장치(180)를 통해 변환하여 상기 캐소드전극(140)으로 전력을 공급할 수 있다.In detail, electrons generated by the
도 2는 본 발명에 따른 수소생산발전기를 통한 수소생산방법을 나타낸 흐름도를 나타낸다.Figure 2 shows a flow chart showing a hydrogen production method through the hydrogen production generator according to the present invention.
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. Referring to FIG. 2, in the step of supplying the first reactant and the second reactant to the anode electrode 120 (S110), the step of supplying the third reactant to the cathode electrode 130 (S120), and the
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. In addition, the hydrogen production method (S110) using the
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. In the step of supplying the first reactant and the second reactant to the anode electrode 120 (S110), an oxidation reactant as the first reactant and a basic solution as the second reactant are mixed to obtain a mixed aqueous solution to the anode electrode 120. ) Means to supply.
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 있다The first reactant may include at least one selected from methanol, ethanol, ammonium and formate as an oxidation reactant. In addition, the second reactant may include at least one selected from sodium hydroxide and potassium hydroxide using the first reactant as a basic solution.
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.That is, the mixed aqueous solution controls the pH value of the oxidation reactant, which is the first reactant, using the basic solution as the second reactant, and the potential difference according to the pH difference between the third reactant and the pH value of the mixed aqueous solution is controlled. Can occur.
이에 따라, 상기 혼합수용액의 pH값은 pH8 내지 pH14일 수 있으며, 상세하게는 상기 혼합수용액의 pH값은 pH12 내지 pH14인 것이 바람직하다.Accordingly, the pH value of the mixed aqueous solution may be between pH8 and pH14, and in detail, the pH value of the mixed aqueous solution is preferably between pH12 and pH14.
상기 제3반응물을 캐소드전극(140)으로 공급하는 단계(S120)는 상기 제3반응물을 제2투입부(130)를 통하여 상기 캐소드전극(130)으로 공급하는 것을 의미한다. The step of supplying the third reactant to the cathode electrode 140 (S120) means supplying the third reactant to the
상기 제3반응물은 수용액형태의 산성용액이 공급되는 것으로, 상기 산성용액은 염산, 질산 및 황산 중 선택되는 한 개 이상을 포함할 수 있다.The third reactant is to be supplied with an acidic solution in the form of an aqueous solution, and the acidic solution may include at least one selected from hydrochloric acid, nitric acid, and sulfuric acid.
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. That is, the acidic solution is for generating a potential difference according to a difference in pH from the mixed aqueous solution, and the potential difference between the
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. Therefore, in order to maintain the potential difference greater than 0, it is preferable to use a strong acid as the acidic solution supplied to the
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. In the step of generating a first product in the
먼저, 상기 애노드전극(120)에서 상기 제1투입부(110)로부터 공급된 상기 혼합수용액의 산화반응에 의해 제1생성물이 생성될 수 있다. First, a first product may be generated by an oxidation reaction of the mixed aqueous solution supplied from the
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.Specifically, methanol, ethanol, ammonium and formate in the mixed aqueous solution react with the basic solution and are electrochemically oxidized to generate the first product, electrons, and water, and sodium or potassium present in an ionic state after participating in the reaction. It may contain more ions. In this case, the first product may include sodium hydrogen carbonate or potassium hydrogen carbonate as a compound in which sodium ions or potassium ions are combined with an oxidation reaction product, and the first product and water generated as described above are the first discharge unit ( 160).
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. In addition, among the products, electrons may be moved to the
상기 캐소드전극(140)에서 상기 제2투입부(130)로부터 공급된 상기 산성용액의 환원반응에 의해 수소 및 제2생성물이 생성될 수 있다. In the
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.Specifically, the acidic solution supplied from the
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.According to the present invention, the hydrogen production method (S100) may be made in a continuous process. Specifically, the mixed aqueous solution and the acidic solution are supplied to the
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. Hereinafter, the present invention will be described in detail through Examples and Experimental Examples. However, the following examples and experimental examples are merely illustrative of the present invention, and the present invention is not limited by the following examples and experimental examples.
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.Formulas 1 to 4 below show the chemical reaction equations occurring in each electrode according to the type of the first reactant when sodium hydroxide is used as the basic solution supplied to the anode electrode and sulfuric acid is used as the acidic solution supplied to the cathode electrode. will be.
[화학식 1][Formula 1]
애노드전극: 1/3CH3OH(aq) + 7/3NaOH(aq) → 1/3NaHCO3(aq) + 5/3H2O + 2e- + 2Na+ An anode electrode: 1 / 3CH 3 OH (aq ) + 7 / 3NaOH (aq) → 1 / 3NaHCO 3 (aq) + 5 / 3H 2 O + 2e - + 2Na +
캐소드전극: H2SO4(aq) + 2Na+ + 2e- → H2 + Na2SO4(aq)A cathode electrode: H 2 SO 4 (aq) + 2Na + + 2e - → H 2 + Na 2 SO 4 (aq)
전체반응식: 1/3CH3OH(aq) + H2SO4(aq) + 7/3NaOH(aq) → 1/3NaHCO3(aq) + 5/3H2O + H2 + Na2SO4(aq)Overall reaction formula: 1/3CH 3 OH(aq) + H 2 SO 4 (aq) + 7/3NaOH(aq) → 1/3NaHCO 3 (aq) + 5/3H 2 O + H 2 + Na 2 SO 4 (aq )
[화학식 2][Formula 2]
애노드전극: 1/6C2H5OH(aq) + 13/6NaOH(aq) → 1/6NaHCO3(aq) + 11/6H2O + 2e- + 2Na+ An anode electrode: 1 / 6C 2 H 5 OH (aq) + 13 / 6NaOH (aq) → 1 / 6NaHCO 3 (aq) + 11 / 6H 2 O + 2e - + 2Na +
캐소드전극: H2SO4(aq) + 2Na+ + 2e- → H2 + Na2SO4(aq)A cathode electrode: H 2 SO 4 (aq) + 2Na + + 2e - → H 2 + Na 2 SO 4 (aq)
전체반응식: 1/6C2H5OH(aq) + H2SO4(aq) + 3/6NaOH(aq) → 1/6NaHCO3(aq) + 11/6H2O + H2 + Na2SO4(aq)Overall reaction formula: 1/6C 2 H 5 OH(aq) + H 2 SO 4 (aq) + 3/6NaOH(aq) → 1/6NaHCO 3 (aq) + 11/6H 2 O + H 2 + Na 2 SO 4 (aq)
[화학식 3][Formula 3]
애노드전극: 2/3NH3 + 2NaOH(aq) → 1/3N2 + 2H2O + 2e- + 2Na+ Anode: 2 / 3NH 3 + 2NaOH ( aq) → 1 / 3N 2 + 2H 2 O + 2e - + 2Na +
캐소드전극: H2SO4(aq) + 2Na+ + 2e- → H2 + Na2SO4(aq)A cathode electrode: H 2 SO 4 (aq) + 2Na + + 2e - → H 2 + Na 2 SO 4 (aq)
전체반응식: 2/3NH3 + H2SO4(aq) + 2NaOH(aq) → 1/3N2 + H2 + Na2SO4(aq) + 6H2OOverall reaction formula: 2/3NH 3 + H 2 SO 4 (aq) + 2NaOH(aq) → 1/3N 2 + H 2 + Na 2 SO 4 (aq) + 6H 2 O
[화학식 4][Formula 4]
애노드전극: HCOONa(aq) + 2NaOH(aq) → NaHCO3(aq) + H2O + 2e- + 2Na+ Anode: HCOONa (aq) + 2NaOH ( aq) → NaHCO 3 (aq) + H 2 O + 2e - + 2Na +
캐소드전극: H2SO4(aq) + 2Na+ + 2e- → H2 + Na2SO4(aq)A cathode electrode: H 2 SO 4 (aq) + 2Na + + 2e - → H 2 + Na 2 SO 4 (aq)
전체반응식: HCOONa(aq) + H2SO4(aq) + 2NaOH(aq) → NaHCO3(aq) + Na2SO4(aq) + H2OOverall reaction formula: HCOONa(aq) + H 2 SO 4 (aq) + 2NaOH(aq) → NaHCO 3 (aq) + Na 2 SO 4 (aq) + H 2 O
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. Through Chemical Formulas 1 to 4, it can be confirmed that the oxidation reaction product at the anode electrode oxidizes with OH - to generate electrons, sodium hydroxide, and water. Hydrogen sulfate electrochemically reduces hydrogen and sodium hydrogen sulfate at the cathode electrode You can see that this is created.
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. When the pH supplied to the cathode electrode is 0, the cell voltage change according to the pH supplied to the anode electrode and the cell voltage change according to the pH supplied to the cathode electrode when the pH supplied to the anode electrode is 14 are measured and shown in Table 1. I got it.
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. As the cell voltage increases, the power generation efficiency increases. Accordingly, referring to Table 1, it can be seen that when the pH of the acidic solution supplied to the cathode electrode is 0, the cell voltage increases as the pH of the basic solution supplied to the anode electrode is a strong base. In addition, when the pH of the basic solution supplied to the anode electrode is 14, it can be seen that the cell voltage increases as the pH of the acidic solution supplied to the cathode electrode is stronger. That is, it can be confirmed that it is efficient to use strong acids and salts to increase power generation efficiency through this.
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.In the present specification, only a few examples of various embodiments performed by the present inventors will be described, but the technical idea of the present invention is not limited thereto or is not limited thereto, and may be modified and variously implemented by those skilled in the art.
100: 수소생산발전기
110: 제1투입부
120: 애노드전극(anode)
130: 제2투입부
140: 캐소드전극(cathode)
150: 양이온교환막
160: 제1배출부
170: 제2배출부
180: 전력변환장치100: hydrogen production generator
110: first input unit
120: anode
130: second input unit
140: cathode electrode
150: cation exchange membrane
160: first discharge unit
170: second discharge unit
180: power converter
Claims (12)
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.In a device that electrochemically produces hydrogen and electricity at the same time,
A first input unit for supplying a mixed aqueous solution composed of a first reactant and a second reactant;
An anode electrode for chemical reaction by receiving the first reactant and the second reactant from the first injection unit;
A second input unit for supplying a third reactant;
A cathode electrode receiving the third reactant from the second inlet and performing a chemical reaction;
A cation exchange membrane disposed between the anode electrode and the cathode electrode;
A first discharge unit through which the first product generated by the anode electrode is discharged; And
Including; a second discharge unit for discharging the hydrogen and the second product generated in the cathode electrode;
Hydrogen production generator.
상기 애노드전극 및 상기 캐소드전극과 연결되고,
상기 애노드전극에서 생성된 전자를 전달받아 상기 캐소드전극으로 전력을 공급하는 전력변환장치;를 더 포함하는 것인,
수소생산발전기.The method of claim 1,
Connected to the anode electrode and the cathode electrode,
A power conversion device receiving electrons generated from the anode electrode and supplying power to the cathode electrode; further comprising,
Hydrogen production generator.
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.The method of claim 1,
The first injection unit supplies a mixed aqueous solution composed of a first reactant and a second reactant to the anode electrode,
The first reactant includes at least one selected from methanol, ethanol, ammonium and formate as an oxidation reactant,
The second reactant is a basic solution containing at least one selected from sodium hydroxide or potassium hydroxide,
Hydrogen production generator.
상기 제2투입부는 상기 제3반응물을 상기 캐소드전극으로 공급하고,
상기 제3 반응물은 산성용액으로 황산, 질산 및 염산 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것인,
수소생산발전기.The method of claim 1,
The second injection unit supplies the third reactant to the cathode electrode,
The third reactant is an acidic solution containing at least one selected from sulfuric acid, nitric acid and hydrochloric acid,
Hydrogen production generator.
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.The method of claim 1,
The anode electrode includes at least one selected from palladium, palladium alloy, platinum and platinum alloy,
The cathode electrode includes at least one selected from platinum, a platinum alloy, palladium, nickel, and cobalt.
Hydrogen production generator.
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.A hydrogen production method using the hydrogen production generator included in claims 1 to 5,
Supplying a mixed aqueous solution consisting of the first reactant and the second reactant to the anode electrode;
Supplying a third reactant to the cathode electrode; And
Generating a first product at the anode electrode and generating hydrogen and a second product at the cathode electrode; including
Hydrogen production method.
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.The method of claim 6,
The first reactant includes at least one selected from methanol, ethanol, ammonium and formate as an oxidation reactant,
The second reactant is a basic solution containing at least one selected from sodium hydroxide or potassium hydroxide,
Hydrogen production method.
상기 애노드전극은 상기 제1투입부로부터 공급받은 혼합수용액이 산화반응을 하여 제1 생성물, 물 및 전자가 생성되는 것인,
수소생산방법.The method of claim 6,
In the anode electrode, a first product, water, and electrons are generated by an oxidation reaction of the mixed aqueous solution supplied from the first inlet,
Hydrogen production method.
상기 혼합수용액의 pH값은 pH8 내지 pH14인 것인,
수소생산방법.The method of claim 8,
The pH value of the mixed aqueous solution is from pH8 to pH14,
Hydrogen production method.
제3반응물은 산성용액으로 수용액 형태로 공급되며,
상기 산성용액은 황산, 질산 및 염산 중 선택되는 한 개 이상을 포함하는 것인,
수소생산방법.The method of claim 6,
The third reactant is supplied as an acidic solution in the form of an aqueous solution,
The acidic solution contains at least one selected from sulfuric acid, nitric acid and hydrochloric acid,
Hydrogen production method.
상기 캐소드전극은 상기 애노드전극으로부터 생성된 상기 양이온을 공급받고,
상기 산성용액과 환원반응을 하여 수소 및 제2생성물을 생성하는 것인,
수소생산방법.The method of claim 6,
The cathode electrode receives the positive ions generated from the anode electrode,
To produce hydrogen and a second product by performing a reduction reaction with the acidic solution,
Hydrogen production method.
상기 양이온은 양이온투과막을 통하여 상기 애노드전극으로부터 상기 캐소드전극으로 공급되는 것인,
수소생산방법.The method of claim 11,
The cation is supplied from the anode electrode to the cathode electrode through the cation permeable membrane,
Hydrogen production method.
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| KR1020190101291A KR20210021834A (en) | 2019-08-19 | 2019-08-19 | Hydrogen production generator and hydrogen production method |
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| KR (1) | KR20210021834A (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230008307A (en) | 2021-07-07 | 2023-01-16 | 한국수력원자력 주식회사 | Hydrogen generation system of nuclear power plant and operation method thereof |
-
2019
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