WO2014077531A1 - 전극 지지형 기체 분리막 모듈, 그 관형 구조, 관형구조의 제조방법 및 그를 이용한 탄화수소 개질방법 - Google Patents

전극 지지형 기체 분리막 모듈, 그 관형 구조, 관형구조의 제조방법 및 그를 이용한 탄화수소 개질방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a gas separation membrane, and more particularly, to an electrode-supported gas separation membrane module using an ion conductive ceramic membrane, a tubular structure, a method for producing a tubular structure, and a hydrocarbon reforming method using the same.
  • the ion-electron mixed conductive film mainly consists of a Perovskite single phase, which transmits both gas ions and electrons, and two different electron and gas ions.
  • the dual phase ion-electron mixed conductive film has a fluorspar structure oxide which has inherently strong stability to the acidic or reducing gas.
  • the dual phase ion-electron mixed conductive film is a metal phase selected from silver (Ag), palladium (Pd), gold (Au), or platinum (Pt), and yttria-stabilized zirconia (YSZ) and scandia stabilized zirconia. (scandia-stabilized zirconia, ScSZ), samarium implanted ceria (Sm doped-Ceria, SDC), or gadolinium implanted ceria (Gd doped-ceria GDC), LaGaO 3 and the like. Since the metal phase and the ion conducting phase must have a path connected across the membrane, a large amount of expensive metals are required, as well as a conductivity problem according to the manufacturing method, thereby lowering the gas ion permeability.
  • a complex of an electron conductive oxide eg, perovskite-based or spinel-based
  • a fluorite structure or a fluorite phase that transmits ions is a dense complex having electron conductivity.
  • Sintering is essential to make the separator in the form.
  • this method forms an insulating layer at the interface by the reaction between the two materials during the sintering process to produce a compact separator, there is a problem that the gas permeability is lowered (see Non-Patent Document 1).
  • an ion conductive ceramic separator with an external short circuit has been developed.
  • the porous electrically conductive metal film is coated on both sides of the dense fluorite phase conductive film and the wires are connected to both metal films to the outside, so that the gas ion conduction through the ceramic separator and the electron conduction through the wire (Galvanic method) It occurs as a short circuit membrane.
  • the externally connected wire serves as a metal paste such as silver (Ag) for sealing between two different gases separated by the ceramic separator coated with the metal membrane instead of electrically contacting the metal coated on both ends of the ceramic separator. can do.
  • a metal paste such as silver (Ag) for sealing between two different gases separated by the ceramic separator coated with the metal membrane instead of electrically contacting the metal coated on both ends of the ceramic separator.
  • conventional membranes with external short circuits are limited to thinner materials because they are ion-conductive ceramic supports.
  • a metal such as silver (Ag), platinum (Pt), and gold (Au) must be used. Therefore, there is a problem that the manufacturing cost increases. Therefore, there is a need to develop a technology capable of realizing a short-circuit separation membrane having a low manufacturing cost while reducing the thickness of the ion conductive membrane.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2004-0089964 relates to an oxygen permeation membrane, and discloses a technique related to an oxygen permeation membrane composed of a mixed conductive perovskite capable of conducting electrons and oxygen ions, and a method of modifying the surface layer thereof, in order to enhance the oxygen permeation flux. Doing.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, an electrode-supported gas separation membrane module for selectively permeating gas through the exchange of gas through the ion conductive separator and the exchange of electrons by the connecting layer, the tubular
  • an electrode-supported gas separation membrane module for selectively permeating gas through the exchange of gas through the ion conductive separator and the exchange of electrons by the connecting layer, the tubular
  • the present inventors adopt a method of configuring the short-circuit separator as a module, the electron transfer film (metal or dense structure) between the plurality of gas separation membrane and the gas separation membrane separated from each other
  • the conductive ceramic layer is repeatedly formed and the tubular structure of the short separator is used to maximize gas permeation efficiency and to find a hydrocarbon reforming method to complete the present invention.
  • the present invention is a porous support; A plurality of gas separation membranes located adjacent to each other formed in contact with an outer surface of the porous support; A connecting member positioned to contact each gas separation membrane between a plurality of gas separation membranes adjacent to each other and adjacent to the outer surface of the porous support; And it provides an electrode-supported gas separation membrane module comprising a porous electrode active layer formed on the outer surface of the gas separation membrane and the connecting material.
  • the cermet is a composite of an ion conductive electrolyte material and one selected from nickel, nickel alloy, and iron-based alloy
  • the ion conductive electrolyte material is yttria-stabilized zirconia (YSZ), Scandia stabilized zirconia (scandia-stabilized zirconia, ScSZ), gd doped-ceria (GDC), samarium injected ceria (Sm doped-ceria), lanthanum gallates, SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7
  • the electrode support which is the same material as the gas separation membrane It provides a type gas separation membrane module.
  • the gas separation membrane is an oxygen separation membrane or a hydrogen separation membrane
  • the oxygen separation membrane is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScZ), or gadolinium-infused ceria (Gd).
  • the hydrogen separation membrane is Perovskite-based SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , Or Pyrochlore series La 2 Zr 2 O 7 , La 2 Ce 2 O 7 , an electrode-supported gas separation membrane module is provided.
  • the connecting material is a metal or an electron conductive metal oxide having a dense structure
  • the metal is selected from silver (Ag), palladium (Pd), gold (Au), and platinum (Pt), and the electron conductive metal.
  • Oxides include Lanthanum strontium ferrite (LSF), Lanthanum strontium Manganite (LSM), Lanthanum strontium Chromite (LSCr), and lanthanum ferrite
  • an electrode-supported gas separation membrane module selected from strontium cobalt ferrite (LSCF), spinel oxide manganese ferrite (MnFe 2 O 4 ), and nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ).
  • the porous electrode active layer is a porous metal, cermet or electron conductive metal oxide
  • the porous metal is selected from nickel, nickel alloys, and iron-based alloys
  • the electron conductive metal oxide is perovskite-based, Lanthanum strontium ferrite (LSF), Lanthanum strontium Manganite (LSM), Lanthanum strontium Chromite (LSCr), Lanthanum strontium cobalt ferrite (LantCF co-trite ferrite)
  • LSF Lanthanum strontium ferrite
  • LSM Lanthanum strontium Manganite
  • LSCr Lanthanum strontium Chromite
  • LantCF co-trite ferrite Lanthanum strontium cobalt ferrite
  • an electrode-supported gas separation membrane module selected from an oxide of manganese ferrite (MnFe 2 O 4 ) and nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ).
  • the cermet is a composite of an ion conductive electrolyte material and one selected from nickel, nickel alloy, and iron-based alloy
  • the ion conductive electrolyte material is yttria-stabilized zirconia (YSZ), Scandia stabilized zirconia (scandia-stabilized zirconia, ScSZ), gd doped-ceria (GDC), samarium injected ceria (Sm doped-ceria), lanthanum gallates, SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7
  • the electrode support which is the same material as the gas separation membrane It provides a type gas separation membrane module.
  • the interior space is divided into the first space and the second space bordering the electrode-supported gas separation membrane module
  • the support layer of the hydrocarbon reformer is cermet, lanthanum strontium chromit (LSCr) or lanthanum Supplying a hydrocarbon-based fuel gas in contact with the surface of the first space of the reformer while the temperature is maintained at 500 to 900 ° C., one selected from strontium titanate (LSTi);
  • LSTi strontium titanate
  • the present invention also relates to the hydrocarbon reforming method, before the step of obtaining the syngas, the air (air) at a pressure of 1 to 10 atm so as to contact the other surface of the membrane module in the second space of the reformer. It further provides a hydrocarbon reforming method using an electrode-supported gas separation membrane module further comprising the step of supplying.
  • the present invention also provides a hydrocarbon reforming method using an electrode-supported gas separation membrane module, wherein the hydrocarbon is methane gas (CH 4 ) and the synthesis gas obtained in the first space is hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO). to provide.
  • the hydrocarbon is methane gas (CH 4 ) and the synthesis gas obtained in the first space is hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO).
  • the hydrocarbon is methane gas (CH 4 ) is a mixture of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), the synthesis gas obtained in the first space is carbon monoxide (CO), in the second space The obtained synthesis gas is hydrogen (H 2 ), there is provided a hydrocarbon reforming method using an electrode-supported gas separation membrane module.
  • the present invention also provides a tubular porous conductive support; A plurality of gas separation membranes located adjacent to each other formed along a longitudinal direction of the tubular porous conductive support; A connecting member positioned in contact with an outer surface of the tubular porous conductive support and in contact with each gas separation membrane between a plurality of gas separation membranes located adjacent to each other; And it provides a tubular structure of the electrode-supported gas separation membrane module comprising a porous electrode active layer formed on the outer surface of the gas separation membrane and the connecting material.
  • the tubular porous support is a metal, cermet, or electron conductive metal oxide
  • the metal is selected from nickel, nickel alloys, and iron-based alloys
  • the electron conductive metal oxide is perovskite-based, lanthanum Lanthanum strontium ferrite (LSF), Lanthanum strontium Manganite (LSM), Lanthanum strontium Chromite (LSCr), Lanthanum strontium cobalt ferrite (Lanthanum oxide strontium)
  • LSF Lanthanum Lanthanum strontium ferrite
  • LSM Lanthanum strontium Manganite
  • LSCr Lanthanum strontium Chromite
  • Lanthanum strontium cobalt ferrite Lanthanum oxide strontium
  • the present invention provides a tubular structure of an electrode-supported gas separation membrane module selected from phosphorus manganese ferrite (MnFe 2 O 4 ) and nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ).
  • the cermet is a composite of an ion conductive electrolyte material and one selected from nickel, nickel alloy, and iron-based alloy
  • the ion conductive electrolyte material is yttria-stabilized zirconia (YSZ), Scandia stabilized zirconia (scandia-stabilized zirconia, ScSZ), gd doped-ceria (GDC), samarium injected ceria (Sm doped-ceria), lanthanum gallates, SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7
  • the electrode support which is the same material as the gas separation membrane
  • the tubular structure of the gas separator module is provided.
  • the gas separation membrane is an oxygen separation membrane or a hydrogen separation membrane
  • the oxygen separation membrane is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SCSZ) or gadolinium-infused ceria (Gd).
  • the hydrogen separation membrane is Perovskite-based SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , Or Pyrochlore series La 2 Zr 2 O 7 , La 2 Ce 2 O 7 to provide a tubular structure of the electrode-supported gas separation membrane module.
  • the connecting material is a metal or an electron conductive metal oxide having a dense structure
  • the metal is selected from silver (Ag), palladium (Pd), gold (Au), and platinum (Pt), and the electron conductive metal.
  • Oxides are Lanthanum strontium ferrite (LSF), Lanthanum strontium Manganite (LSM), Lanthanum strontium Chromite (LSCr), and lanthanum strontium It provides a tubular structure of an electrode-supported gas separation membrane module selected from strontium cobalt ferrite (LSCF), spinel oxide manganese ferrite (MnFe 2 O 4 ), nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ).
  • the porous electrode active layer is a porous metal, cermet or electron conductive metal oxide
  • the porous metal is selected from nickel, nickel alloys, and iron-based alloys
  • the electron conductive metal oxide is perovskite-based, Lanthanum strontium ferrite (LSF), Lanthanum strontium Manganite (LSM), Lanthanum strontium Chromite (LSCr), Lanthanum strontium cobalt ferrite (LantCF co-trite ferrite)
  • LSF Lanthanum strontium ferrite
  • LSM Lanthanum strontium Manganite
  • LSCr Lanthanum strontium Chromite
  • LantCF co-trite ferrite Lanthanum strontium cobalt ferrite
  • a tubular structure of an electrode-supported gas separation membrane module selected from oxides of manganese ferrite (MnFe 2 O 4 ) and nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ).
  • the cermet is a composite of an ion conductive electrolyte material and one selected from nickel, nickel alloy, and iron-based alloy
  • the ion conductive electrolyte material is yttria-stabilized zirconia (YSZ), Scandia stabilized zirconia (scandia-stabilized zirconia, ScSZ), gd doped-ceria (GDC), samarium-infused ceria (Sm doped-ceria), lanthanum gallates, SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7
  • the electrode support which is the same material as the gas separation membrane
  • the tubular structure of the gas separator module is provided.
  • the present invention also provides a tubular porous conductive support having a flow path formed so that the gas permeated therein can be moved and collected along the length of the tube using an extrusion process; Coating a gas separation membrane on the outer surface of the tubular porous conductive support after pre-masking a portion to be coated with a connecting material; Exposing the support at a masked portion of the outer surface of the tubular porous conductive support, which is not coated with a gas separation membrane, to coat the connecting material on the outer surface; Heat-treating the tubular porous conductive support coated on the outer surface of the gas separation membrane and the connecting member at 1200 to 1600 ° C; And it provides a method for producing a tubular structure of the electrode-supported gas separation membrane module comprising the step of coating a porous electrode active layer on the outer surface of the gas separation membrane and the connecting material.
  • the tubular porous support is a metal, cermet, or electron conductive metal oxide
  • the metal is selected from nickel, nickel alloys, and iron-based alloys
  • the electron conductive metal oxide is perovskite-based, lanthanum Lanthanum strontium ferrite (LSF), Lanthanum strontium Manganite (LSM), Lanthanum strontium Chromite (LSCr), Lanthanum strontium cobalt ferrite (Lanthanum oxide strontium)
  • LSF Lanthanum Lanthanum strontium ferrite
  • LSM Lanthanum strontium Manganite
  • LSCr Lanthanum strontium Chromite
  • Lanthanum strontium cobalt ferrite Lanthanum oxide strontium
  • a method for producing a tubular structure of an electrode-supported gas separation membrane module which is selected from phosphorus manganese ferrite (MnFe 2 O 4 ) and nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ).
  • the hydrocarbon is methane gas (CH 4 ) is a mixture of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), the synthesis gas obtained in the first space is carbon monoxide (CO), in the second space The obtained synthesis gas is hydrogen (H 2 ), there is provided a hydrocarbon reforming method using the tubular structure of the electrode-supported gas separation membrane module.
  • the cermet is a composite of an ion conductive electrolyte material with one selected from nickel, nickel alloys, and iron-based alloys, and the ion conductive electrolyte material is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia , ScSZ), Gd doped-ceria (GDC), Samarium-infused Ceria (Sm doped-ceria), Lanthanum gallates, SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7 It is made of one or more materials selected from, the ion conductive electrolyte material contained in the cermet is the same material as the gas separation membrane. In one embodiment of the present invention to sinter in a high temperature process of 1200 to 1500 °C to form a dense structure.
  • a hydrocarbon-based fuel gas such as methanol, ethanol, propane, butane as well as methane, which is a reducing gas
  • a hydrocarbon-based fuel gas such as methanol, ethanol, propane, butane as well as methane, which is a reducing gas
  • a porous conductive support that is a cermet of the gas separation membrane module.
  • the porous electrode active layer 40 which is a catalyst layer formed on the hydrogen separation membrane 21 and the connecting member 30, is electrically connected to the cermet support 10 through the connecting member.
  • a reducing gas such as methane, carbon monoxide, hydrogen molecules, etc. should be injected into the first space in which the porous conductive support, which is a cermet, is placed. This is because, for example, in the case of NiO-YSZ composite, when the reducing gas is injected, NiO is reduced to Ni so that the cermet form is maintained.
  • the present invention relates to a tubular structure of an electrode-supported gas separation membrane module.
  • FIG. 7 a cross-sectional structure of the tubular structure of a gas separation membrane module made using the conductive support of the present invention is shown.
  • the tubular structure of the gas separation membrane module includes a tubular porous conductive support 10, a plurality of gas separation membranes 22 adjacent to each other formed along a longitudinal direction of the tubular porous conductive support 10, and the tubular porous conductive support 10.
  • the connection member 30 is disposed between the gas separation membranes adjacent to each other and adjacent to the gas separation membranes, and the porous electrode active layer 40 formed on the outer surface of the gas separation membrane and the connection members.
  • the porous metal and the oxygen separator material composite is a porous metal and yttria-stabilized zirconia (YSZ) selected from nickel, nickel alloys, and iron-based alloys, scandia-stabilized zirconia, High porosity and excellent compressive strength in the form of a composite of oxygen membrane materials selected from ScSZ), Gd doped-ceria (GDC), Sm doped-Ceria, and Lanthanum gallates Indicates.
  • YSZ yttria-stabilized zirconia
  • the gas separation membrane 22 is an oxygen separation membrane, and the oxygen separation membrane is yttria-stabilized zirc gadolinium injection ceria (Gd doped-ceria (GDC), samarium injection ceria (Sm doped) -Ceria), and lanthanum gallates.
  • GDC yttria-stabilized zirc gadolinium injection ceria
  • Sm doped samarium injection ceria
  • lanthanum gallates yttria-stabilized zirc gadolinium injection ceria
  • the porous electrode active layer 40 which is a catalyst layer formed on the outer surface of the gas separation membrane 22 and the connecting member 30, is electrically connected to the support through the connecting member.
  • the porous electrode active layer 40 is a porous metal, cermet, or an electron conductive metal oxide having a porous structure.
  • Hydrogen ions permeate the hydrogen separation membrane in the form of hydrogen ions, which are cations, in the inner direction of the tube under a high partial pressure of hydrogen, and electrons pass through a connecting material to form the porous porous support and the catalyst layer. Between the electrode active layers, it flows in the direction from the inside of a tube which is the same direction as hydrogen ion to the exterior (62). When the gas mixture containing hydrogen is introduced into the tube, the gas mixture reaches the hydrogen separation membrane through the tubular porous conductive support, and hydrogen in the hydrogen separation membrane loses electrons to become hydrogen ions.
  • the electrons separated from the hydrogen ions flow in the same direction as the hydrogen ions to the tubular porous conductive support through the connecting material.
  • the porous electrode active layer which is a catalyst layer, electrons are obtained to form hydrogen gas.
  • the oxygen or hydrogen separation as described above occurs through the unit electrode-supported gas separation membrane module, and the unit electrode-supported gas separation membrane module is connected to each other while forming a tube, thereby increasing the area of the entire oxygen or hydrogen separation membrane.
  • the porous electrode is the active ionization reaction of oxygen molecules on the surface to be coated so that - - (H 2 ⁇ 2H + + 2e) can take place, oxygen (O 2 + 4e ⁇ 2O 2- ) and gas-forming reaction of hydrogen ions
  • the gas can diffuse and ionize to the surface of the electrolyte and maintain a porous structure so that hydrogen ions can combine with electrons to become a gas.
  • the production cost of the synthesis gas (eg, H 2 + CO) can be reduced by reforming the hydrocarbon-based fuel gas.
  • the prepared synthetic gas can be obtained through a collection process known to those skilled in the art inside the tube.
  • the fuel gas, methane is a reducing gas, which induces a partial pressure difference of oxygen, thereby providing a driving force for moving oxygen from the opposite electrode.
  • the fuel gas, methane is a reducing gas, which induces a partial pressure difference of oxygen, thereby providing a driving force for moving oxygen from the opposite electrode.
  • the fuel gas, methane is a reducing gas, which induces a partial pressure difference of oxygen, thereby providing a driving force for moving oxygen from the opposite electrode.
  • hydrogen hydrogen
  • N 2 nitrogen
  • Ammonia capture can be collected by any conventionally known process.
  • the temperature of the module is maintained at 500 to 900 °C
  • the water vapor and nitrogen supply pressure maintains a constant pressure value between atmospheric pressure and 10 atm.
  • Oxygen ions pass through the oxygen separation membrane in the form of oxygen ions as anions from the porous electrode active layer outside the tube under high oxygen partial pressure to the support inside the tube under low oxygen partial pressure. Flow.
  • oxygen is selectively permeated through the exchange of oxygen ions through the conductive gas separation membrane and the exchange of electrons by the connecting material.
  • hydrocarbon-based fuel gas such as methanol, ethanol, propane, butane, as well as methane, which is a reducing gas, may be used. This is because, for example, in the case of NiO-YSZ composite, when the reducing gas is supplied, NiO is reduced to Ni, so the cermet form is maintained.
  • the porous electrode active layer should be coated to allow the ionization reaction of oxygen molecules (O 2 + 4e ⁇ ⁇ 2O 2 ⁇ ) to occur on the surface thereof, and maintain the porous structure so that water vapor may diffuse and ionize to the surface of the electrolyte.
  • the tubular porous support is one selected from cermet, lanthanum strontium chromit (LSCr) or lanthanum strontium titanate (LSTi).
  • LSCr lanthanum strontium chromit
  • LSTi lanthanum strontium titanate
  • gas such as methane is permeated porously to help the synthesis gas to be reformed by permeation of oxygen through the separator.
  • the cermet prepares a porous composite support of metal oxide and electrolyte such as NiO-YSZ, NiO-GDC, NiO-SDC, NiO-CeO, etc. by using a press or an extrusion process.
  • the methane gas reforming process in a gas separation membrane module using a proton conducting electrolyte supplies methane gas, which is a hydrocarbon mixed with hydrogen and carbon monoxide, in the tube.
  • methane gas which is a hydrocarbon mixed with hydrogen and carbon monoxide
  • Hydrogen penetrates the hydrogen separation membrane in the form of hydrogen ions, which are cations, from the inside of the tube of the module under high hydrogen partial pressure under the above conditions, and the electrons are porous through the connecting material.
  • Between the electrode active layers flows in the direction from the inside of the direction tube like hydrogen ion toward the outside of the tube.
  • the hydrocarbon mixture containing hydrogen is put out of the tube, the gas mixture reaches the hydrogen separation membrane through the support, for example, cermet, and the hydrogen in the hydrogen separation membrane loses electrons to become hydrogen ions.
  • the electrons separated from the hydrogen ions flow in the same direction as the hydrogen ions to the porous electrode active layer outside the tube through the support inside the tube.
  • hydrogen ions penetrate the hydrogen separation membrane and reach the porous electrode active layer, which is a catalyst layer, electrons are obtained to form hydrogen gas.
  • the prepared hydrogen may be collected by applying any of the hydrogen collection processes known to those skilled in the art.
  • the carbon monoxide remains in the tube, the carbon monoxide capture can be collected by applying any commonly known process.
  • the thickness of the ion conductive hydrogen separation membrane it is possible to obtain a high transmittance by setting the thickness of the ion conductive hydrogen separation membrane to 150 ⁇ m or less.
  • oxygen or hydrogen ions are selectively permeated through the exchange of oxygen ions or hydrogen ions through the conductive separator and the exchange of electrons by the support layer.
  • a reducing gas such as methane, carbon monoxide, hydrogen molecules and the like outside the tube where the porous conductive support is cermet. This is because, for example, in the case of NiO-YSZ composite, when the reducing gas is injected, NiO is reduced to Ni so that the cermet form is maintained.
  • the porous electrode is the active ionization reaction of oxygen molecules on the surface to be coated so that - - (H 2 ⁇ 2H + + 2e) can take place, oxygen (O 2 + 4e ⁇ 2O 2- ) and gas-forming reaction of hydrogen ions
  • the gas can diffuse and ionize to the surface of the electrolyte and maintain a porous structure so that hydrogen ions can combine with electrons to become a gas.

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Abstract

본 발명은 이온전도성 분리막을 통한 기체의 교환 및 연결재 층에 의한 전자의 교환 반응을 통해 기체를 선택적으로 투과시키는 전극지지형 기체분리막 모듈, 그 관형 구조, 관형구조의 제조방법 및 기체분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 고온에서, 특히 CO2, H2O 분위기에서 화학적으로 안정한 형석(fluorite)계 이온전도성 멤브레인을 이용함으로써 탁월한 화학적, 기계적 내구성을 확보할 수 있으며, 외부에서 전압을 인가하지 않아도 내부 회로에 의해 기체 투과가 일어나므로 저렴한 비용으로 순수한 기체를 제조할 수 있는 장점이 있다.

Description

전극 지지형 기체 분리막 모듈, 그 관형 구조, 관형구조의 제조방법 및 그를 이용한 탄화수소 개질방법
본 발명은 기체분리막에 관한 것으로, 특히 이온전도성 세라믹 멤브레인을 이용한 전극지지형 기체분리막 모듈, 그 관형 구조, 관형구조의 제조방법 및 그를 이용한 탄화수소 개질방법에 관한 것이다.
기체 투과를 위한 이온 투과 세라믹 분리막은 크게 순수 기체 이온 전도성 막과 이온-전자 혼합 전도(MIEC, mixed ionic-electronic conducting)막으로 구별된다. 순수 기체 이온 전도성막은 전류를 공급하기 위한 외부 전원과 전극이 필요하며, 기체이온의 투과량은 전류 공급에 의해 정밀하게 조절되고, 기체는 막의 양방향에 위치한 산소의 분압에 무관하게 어느 방향으로도 이동할 수 있다. 이에 비해 이온-전자 혼합 전도막은 외부전력 공급없이 기체의 압력차에 의해 기체이온과 전자를 투과시킨다. 이온-전자 혼합 전도막에는 주로 페롭스카이트(Perovskite) 단일상(single phase)으로 구성되어 기체이온과 전자를 모두 투과시키는 단일상 이온-전자 혼합 전도막과, 전자와 기체이온을 서로 다른 두개의 상으로 각각 투과시키는 이중상(dual phase) 이온-전자 혼합 전도막이 있으며, 상기 이중상 이온-전자 혼합 전도막은 전자를 투과시키는 전자 전도성 산화물 재료 또는 금속 상(metal phase) 및 이온을 투과시키는 형석구조 내지 형석 상(fluorite phase)을 포함한다.
상기 단일상 이온-전자 혼합 전도막을 구성하는 페롭스카이트는 CO2, H2S, H2O, CH4 등의 산성 또는 환원성 기체가 존재하는 상황에서 상기 기체와 페롭스카이트의 산화물(oxide)이 반응하여 페롭스카이트 구조가 파괴되기 때문에 화학적으로 불안정하다. 즉, 대부분의 혼합전도성 산화물은 CO2나 H2O 가 존재하는 분위기에서 carbonate나 hydroxide 형태로 분해되는 문제가 있으므로 실제 공정조건에서 사용하기 어렵다.
이중상 이온-전자 혼합 전도막은 상기 산성 또는 환원성 기체에 대해 본래적으로 강한 안정성을 가지는 형석구조 산화물을 가진다. 상기 이중상 이온-전자 혼합 전도막은 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au) 또는 백금(Pt) 등으로부터 선택된 금속 상과, 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 사마륨 주입된 세리아(Sm doped-Ceria, SDC), 또는 가돌리늄 주입된 세리아(Gd doped-ceria GDC), LaGaO3 등으로부터 선택된 이온 전도 상을 포함한다. 상기 금속 상 및 이온 전도 상은 막을 가로질러 연결되는 경로가 있어야 하므로 비싼 값의 금속이 많이 소요됨은 물론 제조방법에 따라 전도성 문제가 있으며, 이로 인해 기체이온 투과율이 낮아지게 된다.
또한, 상기 이중상 이온-전자 혼합 전도막 중에서 전자전도성 산화물 (예, 페롭스카이트계 또는 스피넬(spinel)계)과 이온을 투과시키는 형석구조 내지 형석 상(fluorite phase)의 복합체는 전자 전도성을 가지는 치밀한 복합체 형태의 분리막을 제조하기 위해 소결이 필수적이다. 그러나, 소결을 하게되면 두 재료가 반응하는 문제를 피할 수 없으며 이로 인하여 기체이온 투과율이 낮아지게 된다. 즉, 이러한 방법은 치밀한 분리막을 제조하기 위해 소결하는 과정에서 두가지 물질 사이에 반응에 의해 계면에서 절연층을 형성하게 되어, 기체투과도가 낮아지는 문제점(하기 비특허 문헌 1 참조)이 있다.
따라서, 화학적 안정성과 기체이온 투과율 사이의 균형을 이루는 새로운 분리막에 대한 필요가 제기되었고, 이를 해결하기 위해 외부 단락(external short circuit)을 갖춘 이온 전도성 세라믹 분리막이 개발되었다. 치밀구조의 형석 상(fluorite phase) 전도막의 양면에 다공성 전기전도성 금속막이 코팅되고 양쪽 금속막에 외부로 전선이 연결되어, 상기 세라믹 분리막을 통한 기체이온 전도와 전선을 통한 전자 전도(Galvanic 방식)가 일어나는 단락 분리막(Short circuit membrane)이 된다.
상기 외부로 연결된 전선의 역할은 상기 금속막이 코팅된 세라믹 분리막으로 분리된 두개의 서로 다른 기체사이의 밀봉을 위한 은(Ag) 등의 금속 페이스트가 세라믹 분리막 양단에 코팅된 금속에 전기적으로 접촉하면 대신할 수 있다. 하지만 기존의 외부 단락을 갖춘 분리막은 이온 전도성 세라믹 지지체이기 때문에 이 재료의 두께를 얇게 하는데 한계가 있다. 또한 대면적화를 하면 전자의 전도경로(conduction path)가 길어져, 저항이 증가하므로 높은 투과도를 얻을 수 없으며, 전도성 밀봉소재로서 은(Ag), 백금(Pt), 금(Au)과 같은 금속을 사용해야 하므로 제조단가가 높아지는 문제점이 있다. 따라서 이온 전도막의 두께를 줄이면서 대면적이 가능한 저 제조비용의 단락분리막을 구현할 수 있는 기술개발이 요구된다.
대한민국 공개특허 2004-0089964는 산소투과 분리막에 관한 것으로, 산소투과유속의 증진을 위해, 전자와 산소이온을 전도할 수 있는 혼합전도성 페롭스카이트로 구성된 산소투과 분리막 및 그 표면층 개질방법에 관한 기술을 개시하고 있다.
한편, 지금까지 단막 분리막의 관형 모듈화에 대한 개념은 보고되지 않았으며, 또한, 모듈을 구성함에 있어서 종래의 기술은 판형구조를 기본으로 하고 있으며, Galvanic 방식의 경우 외부에서 전압을 인가해주어야 하므로 별도의 전기에너지가 소모되어 산소제조비용이 높아지는 문제점이 있다.
미국 등록특허 US 6,565,632는 원통형 멤브레인에 관한 것으로, 의 경우에도 단위 부피 내에 멤브레인 면적이 작기 때문에 대면적, 대용량 기체제조 모듈을 제조하고자 할 때, 기체제조설비가 차지하는 설비비용이 증가하는 문제가 있다. 따라서, 보다 컴팩트한 구조의 멤브레인 모듈을 제조할 필요가 제기되고 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(0001) 대한민국 공개특허 2004-0089964
(0002) 미국 등록특허 US 6,565,632
[비특허문헌]
(0001) Kharton et al.,Oxygen transport in Ce0.8Gd0.2O2d-based composite membranes, Solid State Ionics, 160 (2003), 247
본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 이온전도성 분리막을 통한 기체의 교환 및 연결재 층에 의한 전자의 교환 반응을 통해 기체를 선택적으로 투과시키는 전극지지형 기체분리막 모듈, 그 관형 구조, 관형구조의 제조방법 및 기체분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 단락 분리막을 모듈로 구성하는 방안을 채택하여, 복수개의 서로 분리된 기체분리막과 상기 서로 분리된 기체분리막의 사이에 전자가 이동하는 전도성 막(금속 또는 치밀구조 전도성 세라믹층)이 위치하는 구조를 반복적으로 형성 및 그의 단락 분리막의 관형구조를 이용하여 기체투과 효율의 극대화 및 탄화수소 개질방법을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 다공성 지지체; 상기 다공성 지지체의 외면에 접하여 형성되는 서로 이웃하여 위치하는 복수개의 기체분리막; 상기 다공성 지지체의 외면에 접하고 상기 서로 이웃하여 위치하는 복수개의 기체분리막 사이에 각 기체분리막과 접하도록 위치하는 연결재; 및 상기 기체분리막과 상기 연결재의 외면에 형성된 다공성 전극 활성층을 포함하는, 전극지지형 기체 분리막 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 다공성 지지체는 금속, 서멧, 또는 전자전도성 금속산화물이고, 상기 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되며, 상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트 (MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는, 전극지지형 기체 분리막 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고, 상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며, 상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인, 전극지지형 기체 분리막 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 기체 분리막은 산소 분리막 또는 수소 분리막이고, 상기 산소 분리막은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ) 또는 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-ceria), 란타늄갈레이트(Lanthanum gallates) 중에서 선택되며, 상기 수소 분리막은 Perovskite계열인 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, 또는 Pyrochlore 계열인 La2Zr2O7, La2Ce2O7 중에서 선택되는, 전극지지형 기체 분리막 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 연결재는 금속, 또는 치밀구조의 전자전도성 금속산화물이고, 상기 금속은 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt) 중에서 선택되며, 상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트 (MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는, 전극지지형 기체 분리막 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 다공성 전극 활성층은 다공성 금속, 서멧 또는 전자전도성 금속산화물이고, 상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되며, 상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트(MnFe2O4), 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는, 전극지지형 기체 분리막 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고, 상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며, 상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인, 전극지지형 기체 분리막 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전극지지형 기체 분리막 모듈을 경계로 내부 공간이 제 1공간 및 제 2공간으로 나누어지고 탄화수소 개질장치의 지지체층은 서멧, 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium chromit, LSCr) 또는 란타늄 스트론튬 타이타네이트(Lanthanum strontium titanate, LSTi)에서 선택된 하나이고, 온도를 500 내지 900℃로 유지한 상태에서 상기 개질장치의 상기 제 1공간의 면과 접하도록 탄화수소계 연료기체를 공급하는 단계; 및 상기 제 1공간 및 상기 제 2공간, 또는 상기 제 1공간에서 합성가스를 수득하는 단계를 포함하는, 전극지지형 기체 분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 탄화수소 개질방법은, 상기 합성가스를 수득하는 단계 전에, 상기 개질장치의 제 2공간에 상기 분리막 모듈의 다른 면과 접하도록 공기(air)를 1기압 내지 10기압의 압력으로 공급하는 단계를 더 포함하는, 전극지지형 기체 분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 탄화수소는 메탄가스(CH4)이고, 상기 제 1공간에서 수득되는 합성가스는 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)인, 전극지지형 기체 분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 탄화수소는 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)가 혼합된 메탄가스(CH4)이고, 상기 제 1공간에서 수득되는 합성가스는 일산화탄소(CO)이며, 상기 제 2공간에서 수득되는 합성가스는 수소(H2)인, 전극지지형 기체 분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 관형 다공 전도성 지지체; 상기 관형 다공 전도성 지지체의 외면에 접하여 그 길이 방향을 따라 형성되는 서로 이웃하여 위치하는 복수개의 기체분리막; 상기 관형 다공 전도성 지지체의 외면에 접하고 상기 서로 이웃하여 위치하는 복수개의 기체분리막 사이에 각 기체분리막과 접하도록 위치하는 연결재; 및 상기 기체분리막과 상기 연결재의 외면에 형성된 다공성 전극 활성층을 포함하는, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 관형 다공성 지지체는 금속, 서멧, 또는 전자전도성 금속산화물이고, 상기 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되며, 상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트(MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고, 상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며, 상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 기체 분리막은 산소 분리막 또는 수소 분리막이고, 상기 산소 분리막은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ) 또는 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아(Sm doped-ceria), 란타늄갈레이트(Lanthanum gallates) 중에서 선택되며, 상기 수소 분리막은 Perovskite계열인 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, 또는 Pyrochlore 계열인 La2Zr2O7, La2Ce2O7 중에서 선택되는, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 연결재는 금속, 또는 치밀구조의 전자전도성 금속산화물이고, 상기 금속은 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt) 중에서 선택되며, 상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트(MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 다공성 전극 활성층은 다공성 금속, 서멧 또는 전자전도성 금속산화물이고, 상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되며, 상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트(MnFe2O4), 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고, 상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아(Sm doped-ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며, 상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 제공한다.
본 발명은 또한, 압출공정을 이용하여 내부에 투과된 기체가 관의 길이방향을 따라 이동하여 포집될 수 있도록 유로가 형성된 관형 다공 전도성 지지체를 제조하는 단계; 상기 관형 다공 전도성 지지체 외면에, 연결재가 코팅될 부분을 미리 마스킹한 뒤 기체분리막을 코팅하는 단계; 상기 관형 다공 전도성 지지체 외면의 기체분리막이 코팅되지 않은, 마스킹한 부분에서 상기 지지체를 노출시켜 그 외면에 연결재를 코팅하는 단계; 상기 기체분리막과 상기 연결재가 외면에 코팅된 관형 다공 전도성 지지체를 1200 내지 1600℃에서 열처리하는 단계; 및 상기 기체분리막과 상기 연결재의 외면에 다공성 전극 활성층을 코팅하는 단계를 포함하는, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 관형 다공성 지지체는 금속, 서멧, 또는 전자전도성 금속산화물이고, 상기 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되며, 상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트(MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고, 상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아(Sm doped-ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며, 상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 기체 분리막은 산소 분리막 또는 수소 분리막이고, 상기 산소 분리막은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ) 또는 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아(Sm doped-Ceria), 란타늄갈레이트(Lanthanum gallates) 중에서 선택되며, 상기 수소 분리막은 Perovskite계열인 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, 또는 Pyrochlore 계열인 La2Zr2O7, La2Ce2O7 중에서 선택되는, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 연결재는 금속, 또는 치밀구조의 전자전도성 금속산화물이고, 상기 금속은 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt) 중에서 선택되며, 상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트 (MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 다공성 전극 활성층은 다공성 금속, 서멧 또는 전자전도성 금속산화물이고, 상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되며, 상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트 (MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고, 상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-Ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며, 상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 이용한 개질장치에서 상기 모듈의 관형 다공 전도성 지지체는 서멧, 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium chromit, LSCr) 또는 란타늄 스트론튬 타이타네이트(Lanthanum strontium titanate, LSTi)에서 선택된 하나이고, 상기 개질장치의 온도를 500 내지 900℃로 유지한 상태에서 상기 개질장치의 관 내부의 일면과 접하도록 탄화수소계 연료기체를 공급하는 단계; 및 상기 개질장치의 관 내부 및 외부, 또는 상기 관 내부에서 합성가스를 수득하는 단계를 포함하는, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 이용한 탄화수소 개질방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 탄화수소 개질방법은, 상기 합성가스를 수득하는 단계 전에, 상기 개질장치의 외부에 상기 분리막 모듈의 다른 면과 접하도록 공기(air)를 1기압 내지 10기압의 압력으로 공급하는 단계를 더 포함하는, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 이용한 탄화수소 개질방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 탄화수소는 메탄가스(CH4)이고, 상기 제 1공간에서 수득되는 합성가스는 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)인, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 이용한 탄화수소 개질방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 탄화수소는 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)가 혼합된 메탄가스(CH4)이고, 상기 제 1공간에서 수득되는 합성가스는 일산화탄소(CO)이며, 상기 제 2공간에서 수득되는 합성가스는 수소(H2)인, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 이용한 탄화수소 개질방법을 제공한다.
본 발명은 고온에서, 특히 CO2, H2O 분위기에서 화학적으로 안정한 형석(fluorite)계 이온전도성 멤브레인을 이용함으로써 탁월한 화학적, 기계적 내구성을 확보할 수 있으며, 외부에서 전압을 인가하지 않아도 내부 회로에 의해 기체 투과가 일어나므로 저렴한 비용으로 순수한 기체를 제조할 수 있는 장점이 있다. 단락 전도막을 전극지지형 기체 분리막 모듈 형태로 구현함으로써 기체분리 효율을 극대화하여 탄화수소 개질을 한다. 또한, 관형 구조의 멤브레인을 적층함으로써 컴팩트한 기체제조 분리막 모듈을 구성하기에 용이하고, 연결재층의 간격, 너비 등을 조절함으로써 투과기구에서 전자의 전도도를 쉽게 변화시킬 수 있으므로, 기체투과도를 높일 수 있는 최적의 공정조건을 찾을 수 있다.
또한 본 발명은 상기 각 분리막의 지지체 층을 서멧(cermet), 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium chromit, LSCr) 또는 란타늄 스트론튬 타이타네이트(Lanthanum strontium titanate, LSTi)를 사용함으로써, 금속성분의 탄화수소에 대한 촉매특성과 세라믹성분의 기계적 안정성을 동시에 활용하여 탄화수소 개질의 안정성을 확보할수 있다.
도 1은 이온전도성 분리막을 이용한 산소 분리 과정을 나타내는 개략도이다.
도 2는 (a)는 외부전원을 구비한 순산소 전도성 분리막, (b)는 혼합 전도성 분리막, (c)는 이중 상(dual phase) 분리막, (d)는 단락(short circuit) 분리막을 나타내는 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 산소분리용 전극지지형 기체 분리막 모듈의 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 수소분리용 전극지지형 기체 분리막 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 산소 분리막을 이용한 전극지지형 기체 분리막 모듈에서 메탄가스 개질 공정을 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명의산소 분리막을 이용한 전극지지형 기체 분리막 모듈에서 다중 커플링 반응을 나타내는 개략도이다.
도 6은 본 발명의수소 분리막을 이용한 전극지지형 기체 분리막 모듈에서 메탄가스 개질 공정을 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의전도성 지지체를 이용하여 만든 기체분리막 모듈의 관형구조의 단면 구조를 나타낸 개략도이다.
도 8a는 본 발명의 산소분리막을 이용한 기체분리막 모듈의 관형구조에서의 산소이온 및 전자 전달 기구를 나타내는 모식도이다.
도 8b는 본 발명의 수소분리막을 이용한 기체분리막 모듈의 관형구조 모듈에서의 수소이온 및 전자 전달 기구를 나타내는 모식도이다.
도 9는 본 발명의 관형 기체분리막 모듈의 제조방법을 단계적으로 표시한 개략도이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
한 양태에서 본 발명은 기체분리막 모듈에 관한 것으로, 다공성 지지체; 상기 다공성 지지체의 외면에 접하여 형성되는 서로 이웃하여 위치하는 복수개의 기체분리막; 상기 다공성 지지체의 외면에 접하고 상기 서로 이웃하여 위치하는 복수개의 기체분리막 사이에 각 기체분리막과 접하도록 위치하는 연결재; 및 상기 기체분리막과 상기 연결재의 외면에 형성된 다공성 전극 활성층을 포함하는 기체 분리막이다.
분리막이란 2상 사이에서 물질의 이동을 선택적으로 제한하는 기능을 갖는 재질의 계면이라고 정의될 수 있다. 최근 산업의 고도화 및 다변화로 인한 고순도, 고품위의 제품이 요구됨에 따라 분리공정은 대단히 중요한 공정으로 인식되고 있어 화학공업, 식품공업, 약품공업등의 공업분야 뿐만 아니라 의료, 생화학 및 환경분야에 이르기까지 중요한 연구과제가 되고 있다.
막을 이용한 기체분리는 막에 대한 선택적인 가스투과원리에 의하여 진행된다. 즉 기체혼합물이 막표면에 접촉하였을때 기체성분은 막속으로 용해, 확산하게 되는데 이때 각각의 기체성분의 용해도와 투과도는 막물질에 대하여 서로 다르게 나타나게 된다. 기체분리에 대한 추진력은 막 양단에 가해지는 특정기체성분에 대한 분압차이다. 특히 분리막을 이용한 막분리공정은 상(Phase)변화가 없고 에너지 소모가 적은 장점 때문에 여러분야에서 광범위하게 응용되고 있다.
도 1은 종래의 이온전도성 분리막을 이용한 산소 분리 과정을 나타낸 것으로, 공기가 공급되는 면에서 산소가 음이온으로 되어 이온전도성 분리막을 투과하고 동시에 전자가 함께 이동하되, 높은 압력과 높은 온도가 분리에 필요한 에너지를 공급하는 페롭스카이트형 분리막을 사용한 산소분리기의 개념을 설명한다. 고온, 고압상태의 산소 혼합기체가 이온화되어 분리막을 통과한 뒤 전자를 내놓고 산소기체로 분리되며, 전자는 산소이온과 반대방향으로 이동한다.
도 2는 다양한 형태의 산소분리막 구조를 나타낸다. 각각의 산소분리막 구조는 이온과 전자의 투과 중 특히 전자의 투과 방식의 특징에 따른 것이다. 도 2의 (a)는 전류를 공급하기 위한 외부 전원과 전극이 필요한 순산소 분리막이다. 순산소 분리막에서 산소이온 투과량은 전류 공급에 의해 정밀하게 조절되고, 산소는 막의 양방향에 위치한 산소분압에 무관하게 어느 방향으로도 이동할 수 있다. 도 2의 (b)는 주로 페롭스카이트(Perovskite) 단일상(single phase)으로 구성되어 산소이온과 전자를 모두 투과시키는 단일상 이온-전자 혼합 전도막을 나타낸다. 도 2의 (c)는 전자와 산소이온을 서로 다른 두개의 상으로 각각 투과시키는 이중상(dual phase) 이온-전자 혼합 전도막을 도시한다. 도 2의 (d)는 화학적 안정성과 산소이온 투과율 사이의 균형을 이루는 새로운 분리막을 구현하기 위한, 단락(short circuit)을 갖춘 이온 전도성 세라믹 분리막이다.
그러나 종래기술 (d)는 이온 전도성 분리막 지지체이기 때문에 이 재료의 두께 (통상적: 300-1mm) 를 얇게 하는데 한계가 있어 높은 산소 투과율을 얻기 어려우며, 전도성 밀봉소재로 Ag, Pt, Au 와 같은 금속을 사용해야 해서 제조단가가 높아진다는 문제점이 있다. 또한, 대면적화를 하면 전자의 전도경로(conduction path)가 길어져서 저항이 증가하므로 높은 투과도를 얻기 어렵다. 본 발명은 상기 도 2의 (d)에 도시된 단락형(short circuit) 분리막을 이용한 산소분리용 전극지지형 기체 분리막 모듈에 관한 것이나, 얇은 분리막 구현이 가능하고 대면적의 컴팩트한 기체분리막 모듈의 구현이 가능하다.
본원의 일 구현예에서 상기 기체 분리막은 산소 또는 수소 분리막이며, 상기 산소 분리막은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ) 또는 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-Ceria), 란타늄갈레이트 (Lanthanum gallates) 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지고, 상기 수소 분리막은 Perovskite계열인 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, 또는 Pyrochlore 계열인 La2Zr2O7, La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어진다. 본원의 일 구현에에서 사용되는 다공성 전극 지지체는 다공성 금속, 서멧, 또는 전자전도성 산화물 (예, 페롭스카이트계 또는 스피넬(spinel)계)이다. 상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금에서 선택된다. 또한, 상기 전자전도성 금속산화물에는 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ)-NiO 복합체 또는 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) 등이 있고, 이 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지므로 높은 기공률과 우수한 압축강도를 나타낸다.
본 발명의 일 구현혜에서 상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고, 상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-Ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며, 상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료이다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 서멧은 복합체로 형성되는 소결공정을 1200 내지 1500℃의 고온으로 진행하여 치밀구조를 형성하게 된다.
본원의 한 구현예에서 상기 연결재는 금속, 또는 치밀구조의 전자전도성 금속산화물이다. 본원의 일 구현예에서 상기 금속은 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt)에서 선택되고, 상기 산소 분리막 및 연결재 상에 형성된 다공성 전극 활성층은 상기 연결재를 통해 상기 지지체와 전기적으로 연결된다.
상기 다공성 전극 활성층은 다공성 금속, 서멧 또는 다공성 구조의 전자전도성 금속산화물이다. 상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된다. 상기 연결재 및 전극 활성층의 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트(MnFe2O4), 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는 하나 이상으로 이루어져 높은 기공률을 나타낸다. 상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고, 상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며, 상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료이다. 본 발명의 일 구현예에서는 치밀구조 형성을 위해 1200 내지 1500℃의 고온공정에서 소결한다.
도 3a는 산소 분리막을 기체 분리막으로 이용한 산소 분리용 전극지지형 기체 분리막 모듈을 나타낸 것이다.
다공성 전극 지지체는 모듈의 프레임을 형성하면서 산소를 포함하는 공기의 유로로서의 역할을 하며 2개 이상의 단위모듈을 연결하므로 전기전도성이 있는 물질로 구성된다.
산소 이온은 높은 산소분압 상태인 아래에서 낮은 산소분압 상태인 윗 방향으로 상기 산소 분리막을 음이온인 산소 이온 형태로 투과하며 전자는 연결재를 통해서 상기 다공성 전극 지지체와 상기 다공성 전극 활성층 사이를 산소이온과 반대방향인 아래 방향으로 흐른다. 산소를 포함하는 가스 혼합물을 아래 부분으로 넣게 되면 상기 다공성 전극 지지체를 통해 상기 가스 혼합물이 산소 분리막에 도달하고 산소 분리막에서 산소는 전자를 얻어 산소이온이 된다. 산소이온이 산소 분리막을 투과하여 다공성 전극 활성층에 도달하여 전자를 내놓고 이때 산소이온에서 분리된 전자는 연결재를 통해 다공성 전극 활성층에서 다공성 전극 지지체로 산소이온과 반대방향인 아래 방향으로 이동한다.
본원의 일 구현예에서 상기 가스 혼합물은 300~500 ppm의 이산화탄소가 포함된 합성공기, 대기 중의 공기(ambient air) 또는 공정가스를 사용한다.
상기와 같은 산소분리는 단위 전극지지형 기체 분리막 모듈을 통해 일어나며, 상기 단위 전극지지형 기체 분리막 모듈을 서로 연결함으로써 산소 분리막 전체의 면적이 커지게 된다.
도 3b는 본원의 또 다른 일 구현예인 수소 분리막을 기체 분리막으로 이용한 수소분리용 전극지지형 기체 분리막 모듈을 나타낸다.
수소 이온은 높은 수소분압 상태인 아래에서 낮은 수소분압 상태인 윗 방향으로 상기 수소 분리막을 수소이온 형태로 투과하며 전자는 연결재를 통해서 상기 다공성 전극 지지체와 상기 다공성 전극 활성층 사이를 수소이온과 같은 방향으로 흐른다. 수소를 포함하는 가스 혼합물을 아래 부분으로 넣게 되면 상기 다공성 전극 지지체를 통해 상기 가스 혼합물이 수소 분리막에 도달하고 수소 분리막에서 수소는 전자를 내놓고 수소이온이 된다. 수소이온이 수소 분리막을 투과하여 다공성 전극 활성층에 도달하고, 연결재를 통해 상기 다공성 전극 활성층에 도달한 전자를 얻어 기체상태로 된다. 본원의 일 구현예에서 상기 가스 혼합물은 300~500 ppm의 이산화탄소가 포함된 합성공기 또는 수소를 포함한 공정가스를 사용한다. 상기와 같은 산소 또는 수소분리가 일어나는 단위모듈을 서로 연결함으로써 기체 분리막 전체의 면적이 커지게 된다.
본 발명은 또한 상술한 전극지지형 기체 분리막 모듈을 이용한 탄화수소의 개질 방법을 제공한다. 따라서 상기 방법은 전극지지형 기체 분리막 모듈을 경계로 내부 공간이 제 1공간 및 제 2공간으로 나누어지고 탄화수소 개질장치의 지지체층은 서멧, 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium chromit, LSCr) 또는 란타늄 스트론튬 타이타네이트(Lanthanum strontium titanate, LSTi)에서 선택된 하나이고, 온도를 500 내지 900℃로 유지한 상태에서 상기 개질장치의 상기 제 1공간의 면과 접하도록 탄화수소계 연료기체를 공급하는 단계; 및 상기 제 1공간 및 상기 제 2공간, 또는 상기 제 1공간에서 합성가스를 수득하는 단계를 포함하는 것이다.
도 4는 산소 분리막을 이용한 기체 분리막 모듈에서 메탄가스 개질 공정을 나타내는 개략도로, 산소 분리막(20)의 일면에 접하여 서멧, 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium chromit, LSCr) 또는 란타늄 스트론튬 타이타네이트(Lanthanum strontium titanate, LSTi)에서 선택된 하나인 지지체(10)가 위치하고 상기 분리막의 서멧과 접하는 반대면에 다공성 전극활성층(40)이 분리막과 접하여 위치한다. 또한 상기 산소 분리막은 복수개의 단위 분리막이 연결재(30)를 통해서 연결되어 있으며 상기 연결재는 상기 지지체층과 상기 다공성 전극활성층을 전기적으로 연결한다.
본 발명의 한 구현예에서 상기 다공성 지지체층은 서멧, 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium chromit, LSCr) 또는 란타늄 스트론튬 타이타네이트(Lanthanum strontium titanate, LSTi)에서 선택된 하나이고, 상기 서멧은 프레스 또는 압출공정을 이용하여 NiO-YSZ, NiO-GDC, NiO-SDC, NiO-CeO 등 금속 산화물과 전해질의 다공성 복합 지지체를 제조한다. 다공성 지지체 제조를 위해 열처리과정에서 연소되어 기공을 형성할 수 있는 carbon 분말, 밀가루, 옥수수가루, 전분 등 기공형성제를 첨가할 수 있다. 분리막 코팅을 위해 YSZ, doped-CeO2 와 같은 이온전도성 분리막층을 코팅하고, 연결재가 코팅될 부분은 미리 masking을 하여 지지체가 노출되도록 하되, 코팅 방법은 dip-coating, screein print, CVD 등의 방법이 이용될 수 있다. 상기 연결재인 치밀 구조 전자전도체 코팅을 위해서, 상기 지지체가 노출된 부분에 선택적으로 (La,Sr)MnO3, (La,Sr)FeO3 과 같은 전도성 연결재층을 코팅한 뒤 치밀한 전해질 층을 이루도록 1200 내지 1600℃에서 열처리한다.
상기 다공성 전극활성층은 분리막 표면에서 산소분자의 이온화반응 (O2 + 4e- 2O2-)이 일어나도록 전자전도성 촉매층을 코팅하되, 산소기체가 전해질 표면으로 확산하여 이온화될 수 있도록 다공성 구조를 유지한다.
본 발명의 일 구현예에서 상기 탄화수소계 연료기체는 메탄(CH4)이고 상압 상태로 공급된다. 상기 탄화수소계 연료기체는 환원성 기체이기 때문에 산소 분압차를 유발하여 반대편의 전극으로부터 산소를 이동하는 구동력을 부여한다. 따라서 산소는 이온형태로 분리막을 투과(51)하고, 전자는 연결재를 통해서 상기 다공성 전극 활성층으로부터 상기 지지체 층으로 흐른다(52). 분리막을 이용한 탄화수소 개질시 반대편 전극이 위치한 제 2공간에 공급된 공기(air)로부터 산소가 빠져나가고 질소는 잔류하게 된다. 이 경우 전기에너지를 사용하지 않기 때문에 탄화수소계 연료기체의 개질을 통한 합성기체(예: H2 + CO)의 생산단가를 낮출 수 있다. 상기 제조된 합성기체는 제 1공간에서 당업자에게 알려진 포집공정을 통해 수득될 수 있다.
도 5은 산소 분리막을 이용한 기체 분리막 모듈에서 다중 커플링 반응을 나타내는 개략도이다. 기체 분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질시 지지체 반대편 전극에 CO2, H2O, N2등의 가스를 주입하면, 산소가 빠져나가 반대편 전극에도 동시에 CO, H2, NH3 등의 환원 가스 제조가 가능하다. 기존의 혼합전도성 물질 또는 이온 및 프로톤 전도성 산화물과의 복합체를 이용한 분리막은 환원 가스 분위기에서 분해되거나 상변화 문제가 있어 위의 조건에서는 실현되기 어렵다.
본 발명의 일 구현예에서 상기 산소 분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질과 암모니아 제조는 상기 분리막 모듈이 속한 공간의 온도가 500 내지 900℃이고, 상기 수증기 및 질소의 공급 압력이 상압에서 약 10기압 범위인 조건이 필요하며, 이때 연료기체인 메탄은 상압 상태로 공급된다. 상기 제조된 암모니아는 당업자에게 알려진 암모니아 포집공정은 어느 것이든 적용하여 포집할 수 있다.
분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질에서 연료기체인 메탄은 환원성 기체이기 때문에 산소 분압차를 유발하여 반대편의 전극으로부터 산소를 이동하는 구동력을 부여한다. 분리막 모듈을 이용한 천연가스 개질시 반대편 전극에 수증기(H2O)와 질소(N2) 기체를 공급하면, 수증기에서 산소가 빠져나가고 잔류하는 수소가 질소와 반응하여 암모니아가 합성된다. 이를 위해 상기 모듈의 온도는 500 내지 900℃로 유지되며, 수증기 및 질소 공급압력은 상압에서 10기압 사이의 일정 압력값을 유지한다. 산소 이온은 높은 산소분압 상태인 다공성 전극활성층에서 낮은 산소분압 상태인 지지체 방향으로 상기 산소 분리막을 음이온인 산소 이온 형태로 투과(51)하며 전자는 연결재를 통해서 상기 지지체층과 촉매층인 상기 다공성 전극활성층 사이를 산소이온과 반대방향으로 흐른다(52). 이와 같이 기체 분리막 모듈에서는 전도성 기체 분리막을 통한 산소이온의 교환과, 연결재에 의한 전자의 교환반응을 통하여 산소를 선택적으로 투과시킨다.
본 발명의 일 구현예에서, 기체 분리막 모듈의 서멧인 다공 전도성 지지체를 사용하여 서멧에 환원기체인 메탄뿐 아니라 메탄올, 에탄올, 프로판, 부탄 등 탄화수소계 연료기체를 사용할 수 있다. 이는 예를 들어, NiO-YSZ 복합체일 경우 환원기체를 공급해야 NiO가 Ni로 환원되므로 서멧형태가 유지되기 때문이다.
상기 다공성 전극 활성층은 그 표면에서 산소분자의 이온화반응 (O2 + 4e- 2O2-)이 일어날 수 있도록 코팅되어야 하며, 수증기가 전해질 표면으로 확산하여 이온화될 수 있도록 다공성 구조를 유지한다.
도 6는 기체 분리막 모듈에서 메탄가스 개질 공정을 나타내는 개략도이다. 수소 분리막(21)의 일면에 접하여 서멧, 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium chromit, LSCr) 또는 란타늄 스트론튬 타이타네이트(Lanthanum strontium titanate, LSTi)에서 선택된 하나인 지지체(10)가 위치하고 상기 분리막의 서멧과 접하는 반대면에 다공성 전극활성층(40)이 분리막과 접하여 위치한다. 또한 상기 수소 분리막(21)은 복수개의 단위 분리막이 연결재(30)를 통해서 연결되어 있으며 상기 연결재는 상기 지지체층과 상기 다공성 전극활성층(40)을 전기적으로 연결한다.
상기 수소 분리막(21) 및 연결재(30) 상면에 형성된 촉매층인 다공성 전극 활성층(40)은 상기 연결재를 통해 상기 서멧 지지체(10)와 전기적으로 연결된다.
본 발명의 일 구현예에서 상기 제 1공간에 수소, 일산화탄소가 혼합된 탄화수소인 메탄가스를 공급한다. 수소는 상기 조건에서 높은 수소분압 상태인 모듈 하부 제 1공간에서 낮은 수소분압 상태인 모듈 상부 제 2공간으로 상기 수소 분리막을 양이온인 수소 이온 형태로 투과(61)하며 전자는 연결재(30)를 통해서 상기 서멧과 촉매층인 상기 다공성 전극활성층 사이를 수소이온과 같은 방향 모듈 하부로부터 상부를 향한 방향으로 흐른다(62). 수소를 포함하는 탄화수소 혼합물을 모듈 하부로 넣게 되면 상기 지지체를 통해 상기 가스 혼합물이 수소 분리막에 도달하고 상기 수소 분리막에서 수소는 전자를 잃어 수소이온이 된다. 이때 수소이온에서 분리된 전자는 지지체를 통해 다공성 전극활성층으로 수소이온과 같은 방향으로 흐른다. 수소이온이 수소 분리막을 투과하여 촉매층인 다공성 전극 활성층에 도달하면 전자를 얻어 수소기체로 된다. 상기 제조된 수소는 당업자에게 알려진 수소 포집공정은 어느 것이든 적용하여 포집할 수 있다. 또한 상기 제 1공간에는 일산화탄소가 잔류하게 되며, 역시 알려진 일산화탄소 포집공정은 어느 것이든 적용하여 포집가능하다.
본 발명의 일 구현예에서는 이온전도성 수소 분리막 두께를 150μm이하로 하여 높은 투과율을 얻을 수 있다.
이와 같이 전도성 분리막을 통한 산소이온 또는 수소이온의 교환과, 지지체층에 의한 전자의 교환반응을 통하여 산소 또는 수소이온을 선택적으로 투과시킨다. 본 발명의 일 구현예에서, 서멧인 다공 전도성 지지체가 위치한 제 1공간에 환원기체인 메탄, 일산화탄소, 수소분자 등을 주입해 주어야 한다. 이는 예를 들어, NiO-YSZ 복합체일 경우 환원기체를 주입해야 NiO가 Ni로 환원되므로 써멧형태가 유지되기 때문이다.
상기 다공성 전극 활성층은 그 표면에서 산소분자의 이온화반응 (O2 + 4e- → 2O2-)과 수소이온의 기체화반응(2H+ + 2e- → H2)이 일어날 수 있도록 코팅되어야 하며, 산소기체가 전해질 표면으로 확산하여 이온화될 수 있고, 수소이온이 전자와 결합하여 기체가 될 수 있도록 다공성 구조를 유지한다.
또 다른 양태에서 본 발명은 전극 지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조에 관한 것으로, 도 7을 참조하면 본 발명의 전도성 지지체를 이용하여 만든 기체 분리막 모듈의 관형구조의 단면 구조를 나타낸다. 상기 기체 분리막 모듈의 관형구조는 관형 다공 전도성 지지체(10), 상기 관형 다공 전도성 지지체의 외면에 접하여 그 길이 방향을 따라 형성되는 서로 이웃하여 위치하는 복수개의 기체 분리막(22), 상기 관형 다공 전도성 지지체의 외면에 접하고 상기 서로 이웃하여 위치하는 기체 분리막 사이에 각 기체 분리막과 접하도록 위치하는 연결재(30), 상기 기체 분리막과 상기 연결재의 외면에 형성된 다공성 전극 활성층(40)을 포함한다.
상기 관형 다공 전도성 지지체(10)는 모듈의 프레임을 형성하면서 분리하고자 하는 기체인 산소 또는 수소를 포함하는 공기의 유로로서의 역할을 하며 2개 이상의 단위모듈을 연결하므로 전기전도성이 있는 물질로 구성된다. 본 발명의 일 구현예에서 사용되는 관형 다공 전도성 지지체는 다공성 금속, 다공성 금속과 산소 분리막 재료 복합체인 서멧 (Cermet) 또는 전자전도성 금속산화물로 이루어진다. 상기 다공성 금속은 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 및 백금(Pt) 중에서 선택된다. 상기 다공성 금속과 산소 분리막 재료 복합체인 서멧 (Cermet)은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되는 다공성 금속과 이트리아 안정지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-Ceria), 및 란타늄갈레이트 (Lanthanum gallates) 중에서 선택되는 산소 분리막 재료의 복합체 형태로 높은 기공률과 우수한 압축강도를 나타낸다.
또한, 상기 전자전도성 금속산화물에는 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트(MnFe2O4), 니켈 페라이트(NiFe2O4) 등이 있고, 이 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지므로 높은 기공률과 우수한 압축강도를 나타낸다.
본 발명의 일 구현예에서 상기 기체 분리막(22)은 산소 분리막으로, 상기 산소 분리막은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirc가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-Ceria), 및 란타늄갈레이트 (Lanthanum gallates) 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어진다.
본 발명의 일 구현예에서 상기 기체 분리막(20)은 수소 분리막으로, 상기 수소 분리막은 Perovskite계열인 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, 또는 Pyrochlore 계열인 La2Zr2O7, La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어진다.
연결재(30)는 금속, 또는 치밀구조의 전자전도성 금속산화물이다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 금속은 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 또는 백금(Pt) 중에서 선택되며, 상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트 (MnFe2O4), 및 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택된다.
상기 기체 분리막(22) 및 연결재(30) 외면에 형성된 촉매층인 다공성 전극 활성층(40)은 상기 연결재를 통해 상기 지지체와 전기적으로 연결된다. 상기 다공성 전극 활성층(40)은 다공성 금속, 서멧(cermet), 또는 다공성 구조의 전자전도성 금속산화물이다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 금속은 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 또는 백금(Pt) 중에서 선택되며, 상기 서멧(cermet)은 다공성 금속과 산소 분리막 재료의 복합체로, 상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되고, 상기 기체 분리막 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-ceria), 및 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates) 중에서 선택된다.
또한, 상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트(MnFe2O4), 및 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어져 높은 기공률을 나타낸다.
도 8a는 산소 분리공정을 개략적으로 나타낸다. 산소 이온은 높은 산소분압 상태인 관 외부에서 낮은 산소분압 상태인 관 내부 방향으로 상기 산소 분리막을 음이온인 산소 이온 형태로 투과(51)하며 전자는 연결재를 통해서 상기 관형 다공 전도성 지지체와 촉매층인 상기 다공성 전극 활성층 사이를 산소이온과 반대방향인 관 내부로부터 외부를 향한 방향으로 흐른다(52). 산소를 포함하는 가스 혼합물을 관 외부로 넣게 되면 상기 관형 다공 전도성 지지체를 통해 상기 가스 혼합물이 산소 분리막에 도달하고 상기 산소 분리막에서 산소는 전자를 얻어 산소이온이 된다. 산소이온이 산소 분리막을 투과하여 촉매층인 다공성 전극 활성층에 도달하여 전자를 내놓고 이때 산소이온에서 분리된 전자는 연결재를 통해 다공성 전극 활성층에서 관형 다공 전도성 지지체로 산소이온과 반대방향으로 이동한다.
도 8b는 수소 분리 공정을 개략적으로 나타낸다. 수소 이온은 높은 수소분압 상태인 관 내부에서 낮은 수소분압 상태인 관 외부 방향으로 상기 수소 분리막을 양이온인 수소 이온 형태로 투과(61)하며 전자는 연결재를 통해서 상기 관형 다공 전도성 지지체와 촉매층인 상기 다공성 전극 활성층 사이를 수소이온과 같은 방향인 관 내부로부터 외부를 향한 방향으로 흐른다(62). 수소를 포함하는 가스 혼합물을 관 내부로 넣게 되면 상기 관형 다공 전도성 지지체를 통해 상기 가스 혼합물이 수소 분리막에 도달하고 상기 수소 분리막에서 수소는 전자를 잃어 수소이온이 된다. 이때 수소이온에서 분리된 전자는 연결재를 통해 관형 다공 전도성 지지체로 수소이온과 같은 방향으로 흐른다. 수소이온이 수소 분리막을 투과하여 촉매층인 다공성 전극 활성층에 도달하면 전자를 얻어 수소기체로 된다.
본 발명의 일 구현예에서 상기 가스 혼합물은 300~500 ppm의 이산화탄소가 포함된 합성공기, 대기 중의 공기(ambient air) 또는 공정가스를 사용한다.
상기와 같은 산소 또는 수소분리는 단위 전극지지형 기체 분리막 모듈을 통해 일어나며, 상기 단위 전극지지형 기체 분리막 모듈이 관을 형성하면서 서로 연결됨으로써 산소 또는 수소 분리막 전체의 면적이 커지게 된다.
또 다른 측면에서 본 발명은 상술한 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조의 제조방법에 관한 것이다. 도 9를 참조하면, 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법을 나타내는 것으로, 따라서 상기 방법은 압출공정을 이용하여 내부에 유로가 형성된 관형 다공 전도성 지지체(10)를 제조하는 단계(a); 상기 지지체 외면에, 연결재가 코팅될 부분을 미리 마스킹(23)한 뒤 기체 분리막(20)을 코팅하는 단계(b); 상기 지지체 외면의 기체분리막이 코팅되지 않은, 마스킹한 부분에서 상기 지지체를 노출시켜 그 외면에 연결재(30)를 코팅하는 단계(c); 상기 기체 분리막과 연결재가 외면에 코팅된 관형 지지체를 1200 내지 1600℃에서 열처리하는 단계; 및 상기 기체 분리막과 상기 연결재의 외면에 촉매층인 다공성 전극 활성층(40)을 코팅하는 단계(d)를 포함한다.
상기 다공성 전극 활성층은 그 표면에서 산소분자의 이온화반응 (O2 + 4e- → 2O2-)과 수소이온의 기체화반응(2H++ 2e- →H2)이 일어날 수 있도록 코팅되어야 하며, 산소기체가 전해질 표면으로 확산하여 이온화될 수 있고, 수소이온이 전자와 결합하여 기체가 될 수 있도록 다공성 구조를 유지한다.
상기 기체 분리막을 코팅하기 전에 미리 마스킹(23) 작업을 통해 연결재 부분에는 기체분리막이 코팅되지 않도록 하며, 기체 분리막 코팅 후 마스크를 제거해 기체분리막이 코팅되지 않은 채 지지체가 노출되도록 한다. 상기 기체분리막이 코팅되지 않은 채 지지체가 노출된 면에 연결재(30)를 코팅하며, 본 발명의 일 구현예에서 상기 기체 분리막 및 상기 연결재 코팅에는 dip-coating, screein print, 또는 CVD 방법을 사용한다. 상기 산소 분리막 및 연결재 코팅 후, 치밀한 전해질 층을 이루도록 1200 내지 1600℃에서 열처리한다.
상기 관형 다공전도성 지지체, 기체 분리막, 연결재, 다공성 전극 활성화층은 상술한 기체분리막 모듈의 관형구조에 사용되는 각 물질들로 형성된다.
또한, 상기 관형 다공전도성 지지체를 제조하는 단계는, 열처리과정에서 연소되어 기공을 형성할 수 있는 기공형성체를 첨가하는 단계를 더 포함하고, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 기공형성체는, 탄소(Carbon) 분말, 밀가루, 옥수수 가루, 및 전분 중에서 선택되는 하나 이상의 물질이다. 상기 기공형성체를 첨가하면 후속 열처리 공정에서 상기 기공형성체가 연소되어 그 자리에 지지체 자체가 형성하는 기공 외의 기공을 추가로 형성할 수 있다.
또 다른 양태에서 본 발명은 상술한 기체분리막 모듈의 관형구조를 이용하여 탄화수소 개질방법을 제공한다. 상기 방법은, 상기 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 이용한 개질장치에서 상기 모듈의 관형 다공 전도성 지지체는 서멧, 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium chromit, LSCr) 또는 란타늄 스트론튬 타이타네이트(Lanthanum strontium titanate, LSTi)에서 선택된 하나이고, 상기 개질장치의 온도를 500 내지 900℃로 유지한 상태에서 상기 개질장치의 관 내부의 일면과 접하도록 탄화수소계 연료기체를 공급하는 단계; 및 상기 개질장치의 관 내부 및 외부, 또는 상기 관 내부에서 합성가스를 수득하는 단계를 포함한다.
본 발명의 한 구현예에서, 산소이온 전도 전해질을 이용한 단락 분리막 모듈의 관형 구조에서 메탄가스 개질은 상기 탄화수소계 연료기체는 메탄(CH4)이고 상압 상태로 공급된다. 상기 탄화수소계 연료기체는 환원성 기체이기 때문에 산소 분압차를 유발하여 반대편의 전극으로부터 산소를 이동하는 구동력을 부여한다. 따라서 산소는 이온형태로 분리막을 투과하고, 전자는 연결재를 통해서 상기 관 외부의 다공성 전극 활성층으로 부터 상기 관 내부의 전도성 지지체로 흐른다. 분리막을 이용한 탄화수소 개질시 관 외부에 공급된 공기(air)로부터 산소가 빠져나가고 질소는 잔류하게 된다. 이 경우 전기에너지를 사용하지 않기 때문에 탄화수소계 연료기체의 개질을 통한 합성기체(예: H2 + CO)의 생산단가를 낮출 수 있다. 상기 제조된 합성기체는 관 내부에서 당업자에게 알려진 포집공정을 통해 수득될 수 있다.
상기 다공성 전극활성층은 분리막 표면에서 산소분자의 이온화반응 (O2 + 4e- → 2O2-)이 일어나도록 전자전도성 촉매층을 코팅하되, 산소기체가 전해질 표면으로 확산하여 이온화될 수 있도록 다공성 구조를 유지한다.
상기 산소 분리막을 이용한 기체 분리막 모듈의 관형 구조를 이용한 탄화수소 개질시 상기 관 내부에 CO2, H2O, N2등의 가스를 주입하면, 다중 커플링 반응이 가능하다. 상기 산소가 빠져나가 반대편 전극에도 동시에 CO, H2, NH3 등의 환원 가스를 제조 할 수 있다. 기존의 혼합전도성 물질 또는 이온 및 프로톤 전도성 산화물과의 복합체를 이용한 분리막은 환원 가스 분위기에서 분해되거나 상변화 문제가 있어 위의 조건에서는 실현되기 어렵다.
분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질에서 연료기체인 메탄은 환원성 기체이기 때문에 산소 분압차를 유발하여 반대편의 전극으로부터 산소를 이동하는 구동력을 부여한다. 본 발명의 일 구현예에서 분리막 모듈의 관형구조를 이용한 천연가스 개질시 관 내부에 수증기(H2O)와 질소(N2) 기체를 공급하면, 수증기에서 산소가 빠져나가고 잔류하는 수소가 질소와 반응하여 암모니아가 합성된다. 암모니아 포집은 통상적으로 알려진 어느 공정이든 적용하여 포집가능하다. 이를 위해 상기 모듈의 온도는 500 내지 900℃로 유지되며, 수증기 및 질소 공급압력은 상압에서 10기압 사이의 일정 압력값을 유지한다. 산소 이온은 높은 산소분압 상태인 관 외부의 다공성 전극활성층에서 낮은 산소분압 상태인 관 내부의 지지체 방향으로 상기 산소 분리막을 음이온인 산소 이온 형태로 투과하며, 전자는 연결재를 통해서 산소이온과 반대방향으로 흐른다. 이와 같이 기체 분리막 모듈에서는 전도성 기체 분리막을 통한 산소이온의 교환과, 연결재에 의한 전자의 교환반응을 통하여 산소를 선택적으로 투과시킨다. 특히 관형 전도성 지지체가 서멧인 경우 환원기체인 메탄뿐 아니라 메탄올, 에탄올, 프로판, 부탄 등 탄화수소계 연료기체를 사용할 수 있다. 이는 예를 들어, NiO-YSZ 복합체일 경우 환원기체를 공급해야 NiO가 Ni로 환원되므로 서멧형태가 유지되기 때문이다.
상기 다공성 전극 활성층은 그 표면에서 산소분자의 이온화반응 (O2 + 4e- → 2O2-)이 일어날 수 있도록 코팅되어야 하며, 수증기가 전해질 표면으로 확산하여 이온화될 수 있도록 다공성 구조를 유지한다.
본 발명의 한 구현예에서, 상기 관형 다공성 지지체는 서멧, 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium chromit, LSCr) 또는 란타늄 스트론튬 타이타네이트(Lanthanum strontium titanate, LSTi)에서 선택된 하나이다. 메탄(CH4)을 포함하는 탄화수소 개질 공정에서 메탄 등의 기체를 다공성으로 투과시켜 분리막을 통한 산소의 투과로 합성기체가 개질되는 것을 돕는다. 상기 서멧은 프레스 또는 압출공정을 이용하여 NiO-YSZ, NiO-GDC, NiO-SDC, NiO-CeO 등 금속 산화물과 전해질의 다공성 복합 지지체를 제조한다. 다공성 지지체 제조를 위해 열처리과정에서 연소되어 기공을 형성할 수 있는 carbon 분말, 밀가루, 옥수수가루, 전분 등 기공형성제를 첨가할 수 있다. 분리막 코팅을 위해 YSZ, doped-CeO2 와 같은 이온전도성 분리막층을 코팅하고, 연결재가 코팅될 부분은 미리 마스킹을 하여 지지체가 노출되도록 하되, 코팅 방법은 dip-coating, screein print, CVD 등의 방법이 이용될 수 있다. 상기 연결재인 치밀 구조 전자전도체 코팅을 위해서, 상기 지지체가 노출된 부분에 선택적으로 (La,Sr)MnO3, (La,Sr)FeO3 과 같은 전도성 연결재층을 코팅한 뒤 치밀한 전해질 층을 이루도록 1200 내지 1600℃에서 열처리한다.
본 발명의 또 다른 구현예에서 프로톤 전도 전해질을 이용한 기체 분리막 모듈에서 메탄가스 개질 공정은, 상기 관 내부에 수소 및 일산화탄소가 혼합된 탄화수소인 메탄가스를 공급한다. 수소는 상기 조건에서 높은 수소분압 상태인 모듈의 관 내부에서 낮은 수소분압 상태인 모듈의 관 외부로 상기 수소 분리막을 양이온인 수소 이온 형태로 투과하며 전자는 연결재를 통해서 상기 지지체층과 촉매층인 상기 다공성 전극활성층 사이를 수소이온과 같은 방향 관 내부로부터 관 외부를 향한 방향으로 흐른다. 수소를 포함하는 탄화수소 혼합물을 관 외부로 넣게 되면 상기 지지체 예를 들면 서멧을 통해 상기 가스 혼합물이 수소 분리막에 도달하고 상기 수소 분리막에서 수소는 전자를 잃어 수소이온이 된다. 이때 수소이온에서 분리된 전자는 관 내부의 지지체를 통해 관 외부의 다공성 전극활성층으로 수소이온과 같은 방향으로 흐른다. 수소이온이 수소 분리막을 투과하여 촉매층인 다공성 전극 활성층에 도달하면 전자를 얻어 수소기체로 된다. 상기 제조된 수소는 당업자에게 알려진 수소 포집공정은 어느 것이든 적용하여 포집할 수 있다. 또한 상기 관 내부에는 일산화탄소가 잔류하게 되며, 일산화탄소 포집은 통상적으로 알려진 어느 공정이든 적용하여 포집가능하다.
본 발명의 한 구현예에서는 이온전도성 수소 분리막 두께를 150μm이하로 하여 높은 투과율을 얻을 수 있다.
이와 같이 전도성 분리막을 통한 산소이온 또는 수소이온의 교환과, 지지체층에 의한 전자의 교환반응을 통하여 산소 또는 수소이온을 선택적으로 투과시킨다. 본 발명의 일 구현예에서, 예를 들면 서멧인 다공 전도성 지지체가 위치한 관 외부에 환원기체인 메탄, 일산화탄소, 수소분자 등을 주입해 주어야 한다. 이는 예를 들어, NiO-YSZ 복합체일 경우 환원기체를 주입해야 NiO가 Ni로 환원되므로 써멧형태가 유지되기 때문이다.
상기 다공성 전극 활성층은 그 표면에서 산소분자의 이온화반응 (O2 + 4e- → 2O2-)과 수소이온의 기체화반응(2H+ + 2e- → H2)이 일어날 수 있도록 코팅되어야 하며, 산소기체가 전해질 표면으로 확산하여 이온화될 수 있고, 수소이온이 전자와 결합하여 기체가 될 수 있도록 다공성 구조를 유지한다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
[부호의 설명]
10. 전도성 지지체
20. 산소 분리막
21. 수소 분리막
22. 기체분리막
23. 마스킹 부위
30. 연결재
40. 다공성 전극활성층
51. 산소 이온 흐름
52. 산소 분리막의 전자 흐름
61. 수소 이온 흐름

Claims (27)

  1. 다공성 지지체;
    상기 다공성 지지체의 외면에 접하여 형성되는 서로 이웃하여 위치하는 복수개의 기체분리막;
    상기 다공성 지지체의 외면에 접하고 상기 서로 이웃하여 위치하는 복수개의 기체분리막 사이에 각 기체분리막과 접하도록 위치하는 연결재; 및
    상기 기체분리막과 상기 연결재의 외면에 형성된 다공성 전극 활성층을 포함하는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 금속, 서멧, 또는 전자전도성 금속산화물이고,
    상기 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되며,
    상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트 (MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고,
    상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며,
    상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인,
    전극지지형 기체 분리막 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 분리막은 산소 분리막 또는 수소 분리막이고,
    상기 산소 분리막은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ) 또는 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-ceria), 란타늄갈레이트 (Lanthanum gallates) 중에서 선택되며,
    상기 수소 분리막은 Perovskite계열인 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, 또는 Pyrochlore 계열인 La2Zr2O7, La2Ce2O7 중에서 선택되는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결재는 금속, 또는 치밀구조의 전자전도성 금속산화물이고,
    상기 금속은 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt) 중에서 선택되며,
    상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트 (MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 다공성 전극 활성층은 다공성 금속, 서멧 또는 전자전도성 금속산화물이고,
    상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되며,
    상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트 (MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고,
    상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아(Sm doped-ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며,
    상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인,
    전극지지형 기체 분리막 모듈.
  8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극지지형 기체 분리막 모듈을 경계로 내부 공간이 제 1공간 및 제 2공간으로 나누어지고 탄화수소 개질장치의 지지체층은 서멧, 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium chromit, LSCr) 또는 란타늄 스트론튬 타이타네이트(Lanthanum strontium titanate, LSTi)에서 선택된 하나이고, 온도를 500 내지 900℃로 유지한 상태에서 상기 개질장치의 상기 제 1공간의 면과 접하도록 탄화수소계 연료기체를 공급하는 단계; 및
    상기 제 1공간 및 상기 제 2공간, 또는 상기 제 1공간에서 합성가스를 수득하는 단계를 포함하는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 탄화수소 개질방법은, 상기 합성가스를 수득하는 단계 전에, 상기 개질장치의 제 2공간에 상기 분리막 모듈의 다른 면과 접하도록 공기(air)를 1기압 내지 10기압의 압력으로 공급하는 단계를 더 포함하는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 탄화수소는 메탄가스(CH4)이고, 상기 제 1공간에서 수득되는 합성가스는 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)인,
    전극지지형 기체 분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 탄화수소는 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)가 혼합된 메탄가스(CH4)이고,
    상기 제 1공간에서 수득되는 합성가스는 일산화탄소(CO)이며,
    상기 제 2공간에서 수득되는 합성가스는 수소(H2)인,
    전극지지형 기체 분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질방법.
  12. 관형 다공 전도성 지지체;
    상기 관형 다공 전도성 지지체의 외면에 접하여 그 길이 방향을 따라 형성되는 서로 이웃하여 위치하는 복수개의 기체분리막;
    상기 관형 다공 전도성 지지체의 외면에 접하고 상기 서로 이웃하여 위치하는 복수개의 기체분리막 사이에 각 기체분리막과 접하도록 위치하는 연결재; 및
    상기 기체분리막과 상기 연결재의 외면에 형성된 다공성 전극 활성층을 포함하는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 관형 다공성 지지체는 금속, 서멧, 또는 전자전도성 금속산화물이고,
    상기 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되며,
    상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트 (MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고,
    상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며,
    상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 기체 분리막은 산소 분리막 또는 수소 분리막이고,
    상기 산소 분리막은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ) 또는 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아(Sm doped-ceria), 란타늄갈레이트(Lanthanum gallates) 중에서 선택되며,
    상기 수소 분리막은 Perovskite계열인 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, 또는 Pyrochlore 계열인 La2Zr2O7, La2Ce2O7 중에서 선택되는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 연결재는 금속, 또는 치밀구조의 전자전도성 금속산화물이고,
    상기 금속은 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt) 중에서 선택되며,
    상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트(MnFe2O4), 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조.
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 다공성 전극 활성층은 다공성 금속, 서멧 또는 전자전도성 금속산화물이고,
    상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되며,
    상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트(MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고,
    상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며,
    상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조.
  19. 압출공정을 이용하여 내부에 투과된 기체가 관의 길이방향을 따라 이동하여 포집될 수 있도록 유로가 형성된 관형 다공 전도성 지지체를 제조하는 단계;
    상기 관형 다공 전도성 지지체 외면에, 연결재가 코팅될 부분을 미리 마스킹한 뒤 기체분리막을 코팅하는 단계;
    상기 관형 다공 전도성 지지체 외면의 기체분리막이 코팅되지 않은, 마스킹한 부분에서 상기 지지체를 노출시켜 그 외면에 연결재를 코팅하는 단계;
    상기 기체분리막과 상기 연결재가 외면에 코팅된 관형 다공 전도성 지지체를 1200 내지 1600℃에서 열처리하는 단계; 및
    상기 기체분리막과 상기 연결재의 외면에 다공성 전극 활성층을 코팅하는 단계를 포함하는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 관형 다공성 지지체는 금속, 서멧, 또는 전자전도성 금속산화물이고,
    상기 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되며,
    상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트(MnFe2O4), 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고,
    상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며,
    상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 기체 분리막은 산소 분리막 또는 수소 분리막이고,
    상기 산소 분리막은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ) 또는 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아(Sm doped-Ceria), 란타늄갈레이트 (Lanthanum gallates) 중에서 선택되며,
    상기 수소 분리막은 Perovskite계열인 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, 또는 Pyrochlore 계열인 La2Zr2O7, La2Ce2O7 중에서 선택되는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법.
  23. 제 19항에 있어서,
    상기 연결재는 금속, 또는 치밀구조의 전자전도성 금속산화물이고,
    상기 금속은 은(Ag), 팔라듐(Pd), 금(Au), 백금(Pt) 중에서 선택되며,
    상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트(MnFe2O4), 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법.
  24. 제 19항에 있어서,
    상기 다공성 전극 활성층은 다공성 금속, 서멧 또는 전자전도성 금속산화물이고,
    상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택되며,
    상기 전자전도성 금속산화물은 페로브스카이트 계열인, 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 스피넬 계 산화물인 망간 페라이트 (MnFe2O4), 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조 제조방법.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고,
    상기 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm doped-Ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates), SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지며,
    상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조.
  26. 제 12항 내지 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 이용한 개질장치에서 상기 모듈의 관형 다공 전도성 지지체는 서멧, 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium chromit, LSCr) 또는 란타늄 스트론튬 타이타네이트(Lanthanum strontium titanate, LSTi)에서 선택된 하나이고, 상기 개질장치의 온도를 500 내지 900℃로 유지한 상태에서 상기 개질장치의 관 내부의 일면과 접하도록 탄화수소계 연료기체를 공급하는 단계; 및
    상기 개질장치의 관 내부 및 외부, 또는 상기 관 내부에서 합성가스를 수득하는 단계를 포함하는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 이용한 탄화수소 개질방법.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 탄화수소 개질방법은, 상기 합성가스를 수득하는 단계 전에, 상기 개질장치의 외부에 상기 분리막 모듈의 다른 면과 접하도록 공기(air)를 1기압 내지 10기압의 압력으로 공급하는 단계를 더 포함하는,
    전극지지형 기체 분리막 모듈의 관형구조를 이용한 탄화수소 개질방법.
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