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WO2014168377A1 - Plate-type module of gas separation film and method for manufacturing same - Google Patents

Plate-type module of gas separation film and method for manufacturing same Download PDF

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WO2014168377A1
WO2014168377A1 PCT/KR2014/002878 KR2014002878W WO2014168377A1 WO 2014168377 A1 WO2014168377 A1 WO 2014168377A1 KR 2014002878 W KR2014002878 W KR 2014002878W WO 2014168377 A1 WO2014168377 A1 WO 2014168377A1
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WO
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separation membrane
gas separation
ceria
gas
membrane
Prior art date
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Ceased
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PCT/KR2014/002878
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French (fr)
Korean (ko)
Inventor
주종훈
유지행
유충열
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Korea Institute of Energy Research KIER
Original Assignee
Korea Institute of Energy Research KIER
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Filing date
Publication date
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Priority claimed from KR20130064705A external-priority patent/KR101485957B1/en
Priority claimed from KR20130130923A external-priority patent/KR101491522B1/en
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    • B01D71/05Cermet materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
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    • B01D53/228Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
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    • B01DSEPARATION
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Definitions

  • the present invention relates to a gas separation membrane plate module structure for connecting and expanding a unit short-circuit membrane through which gas is permeated through exchange of gas ions through a gas separation membrane and exchange of electrons by a support layer or membrane made of an electron conductive material. .
  • Ion-permeable ceramic membrane membranes for gas permeation are largely divided into pure gas ion conductive membranes and mixed ionic-electronic conducting (MIEC) membranes.
  • Pure gas ion conductive membranes require an external power source and electrodes to supply current, and the gas ion permeation rate is precisely controlled by the current supply, and the gas can move in any direction regardless of the partial pressure of oxygen located in both directions of the membrane. have.
  • the ion-electron mixed conductive film transmits gas ions and electrons by the pressure difference of the gas without supplying external power.
  • 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 perovskite constituting the single-phase ion-electron mixed conductive film is formed of oxides of the gas and perovskite in the presence of an acidic or reducing gas such as CO 2 , H 2 S, H 2 O, or CH 4 . It is chemically unstable because the reaction destroys the perovskite structure. That is, most of the mixed conducting oxides are difficult to be used in actual process conditions because they have a problem of decomposing in the form of carbonate or hydroxide in the presence of CO 2 or H 2 O.
  • 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 dense gas separation membrane, 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.
  • the conduction path of the electrons is increased, and thus the resistance is increased, so that high transmittance cannot be obtained.
  • a metal such as Ag, Pt, and Au must be used as the conductive sealing material, 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.
  • U.S. Pat.No. 7,556,676 also discloses a technique for mixed oxygen ion conductive gas separation membranes.
  • the gas separation membrane is composed of an electronic phase, an ionic phase, and a porous support layer, and the ion phase and the electronic phase have a constant size, thereby limiting miniaturization.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and selectively transmits gas through exchange of gas ions through an ion conductive gas separation membrane and exchange of electrons by a support layer or membrane made of an electron conductive material.
  • a plate-like module structure for connecting and expanding unit short-circuit separators.
  • the present inventors connect a unit short-circuit separator which selectively permeates gas through the exchange of gas ions using an ion conductive separator and the exchange of electrons by a support layer or membrane made of a dense structure electron conductive material. And to find a plate-like module structure for expansion, to complete the present invention.
  • the present invention includes a support made of a plate-shaped dense structure electronic conductive material having a plurality of holes; A plurality of plate-type gas separation membranes which cover each space formed by the plurality of holes in contact with an upper surface of the support and are separated from each other; An upper porous electrode active layer coated on the plate-type gas separation membrane and the support; And a lower porous electrode active layer disposed in contact with a lower surface of the plate-type gas separation membrane and an upper surface of the cogwheel inner surface of the support, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a support layer.
  • the present invention also comprises a gas separation membrane formed with a plurality of co-gyu; A membrane made of a plurality of plate-shaped dense structure electronic conductive materials which cover each space formed by the plurality of holes in contact with an upper surface of the separator and are separated from each other; An upper porous electrode active layer coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact; And a lower porous electrode active layer coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a membrane made of an electronic conductive material.
  • a plate module Provides a plate module.
  • the present invention also provides a plurality of bands are ion-conductive gas separation membrane in the form of being arranged parallel to each other spaced at regular intervals; A membrane made of a dense structured electronically conductive material having a parallel band shape and covering each space formed by the gap to be in contact with an upper surface of the separator and separated from each other; An upper porous electrode active layer coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact; And a lower porous electrode active layer coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a membrane made of an electronic conductive material.
  • a plate module Provides a plate module.
  • the present invention also provides a gas separation membrane plate module, wherein the electron conductive material is selected from cermet, electron conductive metal oxide, and ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite.
  • 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 gas separation membrane is a hydrogen separation membrane or oxygen separation membrane having a thickness of 50 to 500 ⁇ m
  • the oxygen separation membrane is yttria-stabilized zirconia (YSZ), Scandia-stabilized zirconia (ScZ) , Gadolinium implanted ceria (Gd doped-ceria, GDC), samarium implanted ceria (Sm doped-Ceria), and lanthanum gallates (Lanthanum gallates) of one or more materials selected from
  • the hydrogen separation membrane is SrCeO 3 , BaCeO It provides a gas separation membrane plate module consisting of one or more materials selected from 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7 .
  • the porous electrode active layer is selected from a porous metal, a porous cermet, and a porous electron conductive metal oxide, and the porous metal is one selected from nickel, a nickel alloy, and an iron-based alloy.
  • the present invention the electron conductive metal oxide, strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3- ⁇ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium manganite (Lanthanum strontium Manganite, LSM), lanthanum strontium cobalt tight (lanthanum strontium Cobatite, LSC), lanthanum strontium chromite (lanthanum strontium chromite, LSCr), lanthanum strontium cobalt ferrite (lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) , manganese ferrite (MnFe 2 O 4), and Provided is a gas separation membrane plate module, which is at least one selected from 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 present invention also provides a method for manufacturing a support tape made of a plurality of porous plate-shaped electronically conductive materials using a tape casting process; Stacking a plurality of gas separator membrane tapes on a support tape made of the plate-shaped dense structure electronic conductive material such that each of the gas separator membranes is separated from each other; Co-sintering the gas separation membrane tape and the support tape made of the plate-shaped dense structure electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C. for densification after the laminating step; And coating a porous electrode active layer on an upper surface of the gas separation membrane covering the cavity and an upper surface of the support and an upper surface of the gas separation membrane exposed to the inside of the cavity and an upper surface of the inner surface of the cavity.
  • a method for manufacturing a support tape made of a plurality of porous plate-shaped electronically conductive materials using a tape casting process; Stacking a plurality of gas separator membrane tapes on a support tape made of the plate-shaped dense structure electronic conductive material such that each
  • the present invention also provides a method of manufacturing a gas separation membrane tape having a plurality of coarse particles using a tape casting process; Covering the plurality of holes with a membrane tape made of a plurality of densely structured electronically conductive materials, and laminating them on the upper surface of the gas separation membrane tape such that the films made of the electronically conductive materials are separated from each other; Co-sintering the gas separation membrane tape and the membrane tape made of the electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C. for densification after the laminating; And coating a porous electrode active layer on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, and a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact. To provide.
  • the present invention also provides a method for manufacturing a plurality of strip-shaped gas separator tapes using a tape casting process;
  • the plurality of gas separation membranes are spaced at regular intervals and arranged in parallel to each other, and each of the spaces formed by the gaps is covered with a membrane tape made of a dense structure of an electron conductive material, and the membrane tapes made of the electronic conductive materials Stacking on the upper surface of the gas separation membrane tape to be separated and positioned; Simultaneously sintering the gas separation membrane tape and the membrane tape made of the electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C.
  • the present invention also provides a gas separation membrane plate module, wherein the electron conductive material is selected from cermet, electron conductive metal oxide, and ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite.
  • 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 It is made of at least one material, the ion conductive electrolyte material included in the cermet, the gas separation membrane, the same material as the gas separation membrane, It provides a method of manufacturing a plate module.
  • the gas separation membrane is a hydrogen separation membrane or oxygen separation membrane having a thickness of 50 to 500 ⁇ m
  • the oxygen separation membrane is yttria-stabilized zirconia (YSZ), Scandia-stabilized zirconia (ScZ) , Gadolinium implanted ceria (Gd doped-ceria, GDC), samarium implanted ceria (Sm doped-Ceria), and lanthanum gallates (Lanthanum gallates) of one or more materials selected from
  • the hydrogen separation membrane is SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7
  • a method for producing a gas separation membrane plate module consisting of one or more materials selected from.
  • the porous electrode active layer is selected from a porous metal, a porous cermet, and a porous electron conductive metal oxide, and the porous metal is one selected from nickel, a nickel alloy, and an iron-based alloy. It provides a method of manufacturing.
  • the present invention the electron conductive metal oxide, strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3- ⁇ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium manganite (Lanthanum strontium Manganite, LSM), lanthanum strontium cobalt tight (lanthanum strontium Cobatite, LSC), lanthanum strontium chromite (lanthanum strontium chromite, LSCr), lanthanum strontium cobalt ferrite (lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) , manganese ferrite (MnFe 2 O 4), and Provided is a method of manufacturing a gas separation membrane plate module, which is at least one selected from 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 It is made of at least one material, the ion conductive electrolyte material included in the cermet, the gas separation membrane, the same material as the gas separation membrane, It provides a method of manufacturing a plate module.
  • the inner space is divided into a first space and a second space bordering the gas separation membrane plate module
  • the electrode active layer of the first space of the hydrocarbon reformer is cermet, lanthanum strontium chromit (LSCr) Or lanthanum strontium titanate (LSTi), and supplying a hydrocarbon-based fuel gas to be in contact with the surface of the first space of the reformer while maintaining the temperature at 500 to 900 ° C. ;
  • a hydrocarbon reforming method comprising the step of obtaining a synthesis gas in the first space and the second space, or the first space.
  • 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, further comprising the step of feeding.
  • the present invention also provides a hydrocarbon reforming method 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).
  • 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 syngas obtained is hydrogen (H 2 ).
  • the hydrocarbon is a mixture of carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O) and nitrogen (N 2 ), the synthesis gas obtained in the first space is hydrogen (H 2 ), carbon monoxide ( CO) and ammonia (NH 3 ), and the synthesis gas obtained in the second space is carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ).
  • the present invention can secure excellent chemical and mechanical durability by using a fluorite-based ion conductive membrane which is chemically stable at high temperature, especially in a CO 2 , H 2 O atmosphere, and can be applied to an internal circuit without applying a voltage from the outside.
  • gas permeation occurs there is an advantage that can produce a pure gas at a low cost.
  • by separating and sintering the gas separation membrane in which ions move and the electron conductive support or membrane in which electrons move there is an advantage of avoiding a problem of a decrease in permeability caused by the reaction of two materials during sintering in the case of a composite.
  • the plate-shaped membrane By stacking the plate-shaped membrane, it is easy to construct a compact gas-producing membrane module, and it is possible to reduce the thickness of the electrolyte, which is a characteristic of the plate-shaped structure, and thus to have a high transmittance, and the support and the electrolyte can be manufactured by a tape casting method. There is an advantage that the manufacturing process is simple.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an oxygen separation process as an example of a gas separation process using an ion conductive separator.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing (a) a pure gas conductive separator with an external power source, (b) a mixed conductive separator, (c) a dual phase separator, and (d) a short circuit separator to be.
  • FIG 3 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a first plate-shaped module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4a is a schematic diagram showing the oxygen ion and electron transfer mechanism in the first plate-shaped module using an oxygen separation membrane according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4b is a schematic diagram showing the hydrogen ion and electron transfer mechanism in the first plate-type module using a hydrogen separation membrane according to an embodiment of the present invention.
  • 5A is a unit module of the first plate-shaped module according to an embodiment of the present invention.
  • 5B is a schematic diagram illustrating a module in which unit modules of a first plate module according to an embodiment of the present invention are connected in series.
  • FIG. 6 is a schematic view showing a second plate-shaped module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8a is a schematic diagram showing the oxygen ion and electron transfer mechanism of the second plate-type module and the third plate-type module using an oxygen separation membrane as a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
  • 8B is a schematic diagram illustrating hydrogen ions and electron transfer mechanisms of the second and third plate modules using the hydrogen separation membrane as a gas separation membrane according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of methane gas reforming of the second plate-type module and the third plate-type module using an oxygen separation membrane as a gas separation membrane according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a multiple coupling reaction of a second plate-type module and a third plate-type module using an oxygen separation membrane as a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic diagram showing a methane gas reforming process of the second plate-type module and the third plate-type module using a hydrogen separation membrane as a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a real picture of a third plate-shaped module using an oxygen separation membrane according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 13 shows the oxygen permeability according to the temperature of the second plate-type module using the oxygen separation membrane according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 14 shows the oxygen permeability according to the temperature of the third plate-shaped module using an oxygen separation membrane according to an embodiment of the present invention.
  • the present application relates to a gas separation membrane plate module.
  • the gas separation membrane plate module includes a support made of a plate-shaped dense structure electronic conductive material having a plurality of holes; A plurality of plate-type gas separation membranes which cover each space formed by the plurality of holes in contact with an upper surface of the support and are separated from each other; An upper porous electrode active layer coated on the plate-type gas separation membrane and the support; And a lower porous electrode active layer disposed in contact with a lower surface of the plate-type gas separation membrane and an upper surface of the cogwheel inner surface of the support, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a support layer.
  • a first plate-shaped module referred to as a first plate-shaped module.
  • the gas separation membrane plate module includes a gas separation membrane in which a plurality of holes are formed; A membrane made of a plurality of plate-shaped dense structure electronic conductive materials which cover each space formed by the plurality of holes in contact with an upper surface of the separator and are separated from each other; An upper porous electrode active layer coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact; And a lower porous electrode active layer coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a membrane made of an electronic conductive material.
  • Plate-shaped module hereinafter referred to as second plate-shaped module.
  • the gas separation membrane plate module includes an ion conductive gas separation membrane having a plurality of bands spaced at regular intervals and arranged in parallel with each other; A membrane made of a dense structured electronically conductive material having a parallel band shape and covering each space formed by the gap to be in contact with an upper surface of the separator and separated from each other; An upper porous electrode active layer coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact; And a lower porous electrode active layer coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a membrane made of an electronic conductive material.
  • Plate-shaped module hereinafter referred to as third plate-shaped module.
  • the separator may be defined as an interphase of a material having a function of selectively restricting the movement of a material between two phases.
  • the separation process is recognized as a very important process, and not only in the industrial fields such as chemical industry, food industry, and pharmaceutical industry, but also in the medical, biochemical and environmental fields. It is becoming an important research subject.
  • Gas separation using membranes is driven by the selective gas permeation principle to the membranes. That is, when the gas mixture comes into contact with the membrane surface, the gas component dissolves and diffuses into the membrane, where the solubility and permeability of each gas component are different for the membrane material.
  • the driving force for gas separation is the partial pressure difference for the particular gas component across the membrane.
  • membrane separation process using membrane is widely applied in all fields because of the advantages of no phase change and low energy consumption.
  • a porous electrically conductive oxide for example, perovskite-based or spinel-based
  • a porous metal membrane is disposed on both surfaces of a dense fluorite phase ion conductive membrane, and an electrically conductive membrane positioned on both sides of the conductive membrane has a dense structure.
  • a gas separator plate-shaped module is electrically connected through a support.
  • FIG. 1 illustrates an oxygen separation process as an example of a gas separation process using an ion conductive membrane, in which oxygen is anion in the air supply side, penetrates the ion conductive membrane, and electrons move together, but at a high pressure and a high temperature.
  • the concept of an oxygen separator using a perovskite separator is used to provide the energy required for separation. Oxygen mixture gas at high temperature and high pressure is ionized and passed through the membrane to release electrons, which are separated into oxygen gas, and electrons move in the opposite direction to oxygen ions.
  • FIG. 2 illustrates an oxygen separation membrane structure as an example of various types of gas separation membrane structures. Each gas separation membrane structure is distinguished from each other based on technical characteristics depending on how the transmission of ions and electrons, in particular, the transmission of electrons occurs.
  • 2A illustrates a pure oxygen separation membrane requiring an external power supply and an electrode for supplying current. The oxygen ion permeation rate in the pure oxygen separation membrane is precisely controlled by the current supply, and oxygen can move in any direction regardless of the oxygen partial pressure located in both directions of the membrane.
  • FIG. 2 (b) shows a single phase ion-electron mixed conductive film mainly composed of a Perovskite single phase and transmitting oxygen ions and electrons.
  • FIG. 2C shows a dual phase ion-electron mixed conductive film that transmits electrons and oxygen ions to two different phases, respectively.
  • FIG. 2 (d) is an ion conductive ceramic separator with a short circuit for implementing a new separator that balances chemical stability and oxygen ion permeability.
  • the present invention relates to an electrode-supported short-circuit separator module for oxygen separation using the short circuit separator shown in FIG.
  • the prior art (d) is an ion conductive membrane support, there is a limit to thinning the thickness of this material (typically: 300 ⁇ m to 1 mm), which makes it difficult to obtain high oxygen permeability, and it is necessary to use a metal such as Ag, Pt, Au as a conductive sealing material. There is a problem that the manufacturing cost increases. In addition, when the large area is increased, the conduction path of the electrons is increased to increase the resistance, and thus high transmittance is hardly obtained.
  • the common rule of the present invention means a hole which is drilled or dug out.
  • a plate-like structure in which a plurality of holes is formed has a shape, for example, a window frame.
  • the first plate-shaped module and the second plate-shaped module includes a flat support having a plurality of holes formed thereon.
  • FIG 3 shows a cross-sectional structure of a first plate-shaped module made using a support made of a dense structure electronic conductive material of the present invention.
  • the first plate module includes a support 10 made of a plate-shaped dense structure electronic conductive material having a plurality of holes; A plurality of plate-type gas separation membranes 20 which are in contact with the upper surface of the support and cover each space formed by the plurality of holes and are separated from each other; An upper porous electrode active layer 30 coated on the plate-type gas separation membrane and the support; And a lower porous electrode active layer 40 positioned in contact with a lower surface of the plate-type gas separation membrane and an upper surface of the common inner surface of the support, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through the support layer.
  • the support 10 made of the plate-shaped dense structure of the electronic conductive material forms a frame of the module and connects two or more unit modules, and thus is formed of an electrically conductive material.
  • FIG 4a schematically shows an oxygen separation process of the first plate-shaped module using a gas separation membrane as an oxygen separation membrane.
  • Oxygen ions permeate the oxygen separation membrane in the form of oxygen ions as anions in the upper direction of the plate-shaped module under low oxygen partial pressure at the lower part of the plate-shaped module with high oxygen partial pressure, and electrons are the upper porous electrode active layer and the catalyst layer through the support. Between the lower porous electrode active layer flows in a direction from the top to the bottom in the direction opposite to the oxygen ion (52).
  • the gas mixture containing oxygen is placed under the plate-shaped module, the gas mixture reaches the oxygen separation membrane through the lower porous electrode active layer, and oxygen in the oxygen separation membrane obtains electrons to become oxygen ions.
  • Figure 4b schematically shows a hydrogen separation process of the first plate-shaped module using a gas separation membrane as a hydrogen separation membrane.
  • Hydrogen ions permeate the hydrogen separation membrane in the form of hydrogen ions, which are cations, from the lower part of the plate-shaped module under high hydrogen partial pressure to the upper part of the plate-shaped module with high partial pressure of electrons.
  • Between the upper porous electrode active layer flows in a direction from the bottom of the plate-shaped module in the same direction as hydrogen ions toward the top (62).
  • the gas mixture containing hydrogen is placed under the plate-shaped module, the gas mixture reaches the hydrogen separation membrane through the lower porous electrode activity, 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 upper porous electrode active layer through the support.
  • 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 porous electrode active layer which is a catalyst layer
  • the cermet separates hydrogen from gases such as CH 4 and CO.
  • oxygen or protons are selectively permeated through the exchange of oxygen ions or protons through the proton conductive membrane, which is oxygen ions or hydrogen ions, and the exchange of electrons by the support layer.
  • a reducing gas such as methane, carbon monoxide, hydrogen molecules. This is because, for example, in the case of NiO-YSZ composite, when the reducing gas is injected, NiO is reduced to Ni, so the cermet form is maintained.
  • the gas mixture uses synthetic air containing 300 to 500 ppm of carbon dioxide, atmospheric air, or process gas.
  • the oxygen or hydrogen separation as described above occurs through the unit module (Fig. 5a) of the first plate-shaped module, the unit ion-wide support gas separation membrane plate module is connected to each other (Fig. 5b) to increase the area of the entire oxygen or hydrogen separation membrane. You lose. If the electron conduction support having a plurality of porosity is used, a large area is possible, and the size and thickness of the ion permeable membrane can be adjusted according to the size of the porosity. In addition, it is possible to form a compact membrane module by connecting them in series.
  • the module comprises a gas separation membrane 20 formed with a plurality of holes; A membrane (10) formed of a plurality of dense structure electronic conductive materials disposed in contact with and covering each space formed by the plurality of holes in contact with an upper surface of the separator; An upper porous electrode active layer 30 coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material contacts; And a lower porous electrode active layer 40 coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through the membrane made of the electronic conductive material.
  • the gas separation membrane 20 and / or the membrane 100 made of the dense structure electronic conductive material is flat.
  • the module includes an ion conductive gas separation membrane 20 in which a plurality of bands are spaced at regular intervals and arranged in parallel with each other; A membrane (100) formed of a dense structure of a conductive electronic material in the form of parallel bands which cover each space formed by the gap in contact with an upper surface of the separator and are separated from each other; An upper porous electrode active layer 30 coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material contacts; And a lower porous electrode active layer 40 coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through the membrane made of the electronic conductive material. .
  • the second plate-type module and the third plate-type module are classified according to the shape of the gas separation membrane, and the gas separation membranes of the second plate-type module and the third plate-type module are located in the separation membrane as both modules serve as frames of the module,
  • a membrane made of a conductive material is positioned in such a structure as to cover the gas separation membrane in the gap between the gas separation membranes used in the second plate-shaped module, for example, or the parallel gas separation membrane in the third plate-shaped module.
  • An electrode active layer is coated on the upper and lower portions of the plate-type structure formed by the gas separation membrane and the electron conductive membrane.
  • the membrane of the support of the first plate-shaped module, the second plate-shaped module and the third plate-shaped module of the present invention is an electrically conductive material
  • the electronically conductive material is a cermet that is a gas separation membrane material composite.
  • 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.
  • YSZ yttria-stabilized zirconia
  • ScSZ scandia-stabilized zirconia
  • GDC Gd doped-ceria
  • the cermet forms a dense structure by performing a sintering process formed of a composite at a high temperature of 1200 to 1500 ° C.
  • the nickel alloy is Inconel (Inconel)
  • the Inconel is nickel mainly 15% chromium, 6-7% iron, 2.5% titanium, less than 1% aluminum manganese • Heat-resistant alloy with silicon added.
  • the electron conductive metal oxide is a perovskite-based, strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3- ⁇ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum Lanthanum strontium Manganite (LSM), Lanthanum strontium Cobatite (LSC), Lanthanum strontium Chromite (LSCr), Lanthanum strontium cobalt ferrite (LantCF) Oxides include manganese ferrite (MnFe 2 O 4 ), nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ), and the like, and in one embodiment of the present invention, are sintered at a high temperature of 1200 to 1500 ° C. to form a dense structure.
  • the ion conductive electrolyte material forming the ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite is selected from an oxygen separation membrane or a hydrogen separation membrane material.
  • the oxygen separation membrane material is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SCSZ), gd-doped ceria (GDC), samarium injection ceria (Sm -doped Ceria), and Lanthanum gallates
  • the hydrogen separation membrane material is Perovskite-based SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , or Pyrochlore-based La 2 Zr 2 O 7 , La 2 Ce 2 O 7 It is selected from.
  • An ion conductive electrolyte material selected from the oxygen separation membrane material or the hydrogen separation membrane material is complexed with the electron conductive metal oxide.
  • the ion conductive electrolyte material and the electron conductive metal oxide form a composite
  • one component occupies 20 to 80% by volume, in order to ensure conductivity.
  • the volume ratio of the ion conductive electrolyte material and the electron conductive metal oxide is 50%.
  • the ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite when selected as the support and the membrane material, the ion conductive electrolyte material may be the same material as the gas separation membrane material. The thermal expansion coefficient difference can be minimized.
  • FIG. 8A illustrates an oxygen separation process of the second and third plate modules using the oxygen separation membrane as a gas separation membrane.
  • Oxygen ions penetrate the oxygen separation membrane in the form of oxygen ions as anions from the lower part of the module under high oxygen partial pressure to the upper part of the lower oxygen partial pressure in the form of anion, and the electrons are the upper porous electrode active layer and the catalyst layer through the conductive membrane. Between the lower porous electrode active layer flows in a direction from the top to the bottom opposite to the oxygen ion (52). When the gas mixture containing oxygen is placed in the lower part of the module, the gas mixture reaches the oxygen separation membrane through the lower porous electrode active layer, and oxygen in the oxygen separation membrane obtains electrons to become oxygen ions.
  • FIG. 8b schematically illustrates a hydrogen separation process of the second plate-type module and the third plate-type module using the hydrogen separation membrane as a gas separation membrane.
  • Hydrogen ions permeate the hydrogen separation membrane in the form of hydrogen ions, which are cations, from the lower portion of the module under high hydrogen partial pressure to the upper portion of the module under high hydrogen partial pressure, and the electrons pass through the lower porous electrode active layer through a membrane made of an electron conductive material.
  • the upper porous electrode active layer which is a catalyst layer, flows in a direction from the bottom of the module toward the top in the same direction as hydrogen ions (62).
  • a high transmittance may be obtained by setting the thickness of the ion conductive hydrogen separation membrane in the range of 50 to 300 ⁇ m.
  • the gas mixture uses synthetic air containing 300 to 500 ppm of carbon dioxide, atmospheric air, or process gas.
  • the gas separation membrane used in the first plate module, the second plate module and the third plate module of the present invention may be, for example, a material for transferring hydrogen or oxygen ions, and the gas separation membrane may have a hydrogen separation membrane or oxygen having a thickness of 50 to 500 ⁇ m.
  • the oxygen separation membrane is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SCSZ), gadolinium injection ceria (Gd doped-ceria (GDC), samarium injection ceria (Sm doped-Ceria), and lanthanum gallates (Lanthanum gallates) and one or more materials selected from, the hydrogen separation membrane SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and It consists of one or more materials selected from La 2 Ce 2 O 7 .
  • the electrode active layer used in the first plate-shaped module, the second plate-shaped module and the third plate-shaped module of the present invention may be formed on the support 10, the gas separation membrane 20, and the upper surface of the support in the case of the first plate module (see FIG. 3).
  • the upper porous electrode active layer 30, which is a catalyst layer, is electrically connected to the lower porous electrode active layer 40 positioned in contact with the lower surface of the plate-type gas separation membrane and the upper inner surface of the common substrate through the support.
  • the membrane made of the electronic conductive material is electrically connected to the lower porous electrode active layer 40 coated on the lower surface of the gas separation membrane structure in contact with the membrane.
  • the membrane made of the electronic conductive material is electrically connected to the lower porous electrode active layer 40 coated on the lower surface of the gas separation membrane structure in contact with the membrane.
  • the electrode active layer of the first plate-shaped module, the second plate-shaped module and the third plate-shaped module is selected from a porous metal, a porous cermet, and a porous electron conductive metal oxide
  • the porous metal is Nickel, nickel alloys, and iron-based alloys.
  • the electron conductive metal oxide may include strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3- ⁇ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium manganite (LSM), and lanthanum strontium manganite.
  • cobalt tight (lanthanum strontium Cobatite, LSC), lanthanum strontium chromite (lanthanum strontium chromite, LSCr), lanthanum strontium cobalt ferrite (lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) , manganese ferrite (MnFe 2 O 4), and nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ) is one or more selected from.
  • 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.
  • YSZ yttria-stabilized zirconia
  • ScSZ scandia-stabilized zirconia
  • GDC Gd doped-ceria
  • the first plate-type module, the second plate-type module and the third plate-type module can be formed in a membrane structure having a large area by connecting a single gas separation membrane module in series.
  • Electron conduction in the permeation mechanism is controlled by adjusting the spacing and width of the separator made of the electronic conductive material in the first plate-shaped module and the membrane made of the electronic conductive material in the second plate-shaped module. It can be easily changed to achieve optimum oxygen or hydrogen permeation conditions.
  • even in the third plate module having the same gas separation mechanism as the second plate module it is possible to easily control the width and spacing of the band-shaped separator and the electron conductive membrane to achieve electron conduction and optimum oxygen or hydrogen permeation conditions.
  • Oxygen or hydrogen separation using the plate-shaped module (first plate module, second plate module and third plate module) of the present invention as described above occurs in the entire gas separation membrane located in the module, thereby increasing the area of the oxygen or hydrogen separation membrane.
  • the present invention relates to a method for producing a gas separation membrane plate module described above.
  • the method is a manufacturing method of the first plate-shaped module, the second plate-shaped module and the third plate-shaped module, the manufacturing method of the first plate-shaped module is a plate-shaped porous electronic conductivity having a plurality of holes using a tape casting process Preparing a support tape made of a material; Stacking a plurality of gas separator membrane tapes on a support tape made of the plate-shaped dense structure electronic conductive material such that each of the gas separator membranes is separated from each other; Co-sintering the gas separation membrane tape and the support tape made of the plate-shaped dense structure electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C. for densification after the laminating step; And coating a porous electrode active layer on the upper surface of the gas separation membrane covering the cavity and the upper surface of the support and the lower surface of the gas separation membrane exposed inside the cavity and on the inner side of the cavity.
  • the manufacturing method of the second plate-shaped module comprises the steps of manufacturing a gas separation membrane tape (tape) having a plurality of common rules using a tape casting (Tape Casting) process; Covering the plurality of holes with a membrane tape made of a plurality of densely structured electronically conductive materials, and laminating them on the upper surface of the gas separation membrane tape such that the films made of the electronically conductive materials are separated from each other; Co-sintering the gas separation membrane tape and the membrane tape made of the electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C.
  • the method of manufacturing the third plate-shaped module may include manufacturing a plurality of strip-shaped gas separation membrane tapes by using a tape casting process; The plurality of gas separation membranes are spaced at regular intervals and arranged in parallel to each other, and each of the spaces formed by the gaps is covered with a membrane tape made of a dense structure of an electron conductive material, and the membrane tapes made of the electronic conductive materials Stacking on the upper surface of the gas separation membrane tape to be separated and positioned; Simultaneously sintering the gas separation membrane tape and the membrane tape made of the electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C.
  • Electrode active layer formed on the plate-like module ionization reaction of oxygen molecules at the surface (O 2 + 4e - ⁇ 2O 2-) and gas-forming reaction of the hydrogen ions (2H + + 2e - ⁇ H 2) so that the coating can take place
  • Oxygen 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.
  • dip-coating, screein print, or CVD method is used for coating the gas separation membrane and the porous electrode active layer.
  • the material used for the support, the gas separation membrane and the porous electrode active layer of the first plate-shaped module is formed by using the above-described materials of the first plate-shaped module, and also the gas separation membrane and the dense structure conductivity of the second plate-shaped module and the third plate-shaped module.
  • the materials used for the membrane and the electroactive layer are formed using the materials of the second plate-shaped module and the third plate-shaped module described above.
  • the present invention relates to a hydrocarbon reforming method using the above-described gas separation membrane plate module.
  • the method divides an internal space into a first space and a second space by using a first plate module, a second plate module, and a third plate module, which are gas separation membrane plate modules, as a boundary between a module selected from the gas separation membrane plate modules.
  • the electrode active layer in the first space of the high hydrocarbon reformer is one selected from cermet, lanthanum strontium chromit (LSCr) or lanthanum strontium titanate (LSTi), and the temperature is 500 to 900 ° C. Supplying a hydrocarbon-based fuel gas in contact with the surface of the first space of the reformer; And obtaining a synthesis gas in the first space and the second space, or the first space.
  • the hydrocarbon reforming method before the step of obtaining the synthesis gas, the air (air) in the second space of the reforming device to contact with the other surface of the membrane module 1 to 10 atm Supplying at a pressure may be further included.
  • the porous electrode active layer of the gas separation membrane plate module of the present invention during hydrocarbon modification is an electrode active layer made of one material selected from cermet, lanthanum strontium chromit (LSCr), or lanthanum strontium titanate (LSTi).
  • the hydrocarbon-based fuel gas is methane (CH 4 ) and is supplied at atmospheric pressure. Since the hydrocarbon-based fuel gas is a reducing gas, it causes an oxygen partial pressure difference to impart a driving force to move oxygen from the opposite electrode. Therefore, oxygen passes through the separator in the form of ions, and electrons flow from the lower porous electrode active layer 40 to the upper porous electrode active layer 30 through the conductive membrane. When the hydrocarbon is reformed using the membrane, oxygen is released from the air supplied to the second space in which the opposite electrode is located, and nitrogen remains.
  • CH 4 methane
  • 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 in the first space.
  • a support made of an electronic conductive material replaces the role of the conductive film of the second plate-shaped module or the third plate-shaped module, and electrons flow from the lower porous electrode active layer to the upper electrode active layer through the electronic conductive support.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a multiple coupling reaction in a plate module using an oxygen separation membrane as a gas separation membrane of a second plate module or a third plate module.
  • gas such as CO 2 , H 2 O, or N 2
  • oxygen is released to the lower electrode active layer 40 simultaneously with CO, H 2 , and NH 3.
  • Reducing gas production such as these, is possible.
  • the fuel gas, methane is a reducing gas, which induces an oxygen partial pressure difference, thereby providing driving force for moving oxygen on the opposite side.
  • Oxygen ions pass through the oxygen separation membrane in the form of oxygen ions from the porous electrode active layer in the high oxygen partial pressure state to the opposite electrode active layer in the low oxygen partial pressure state, and electrons pass through the membrane made of an electron conductive material between the gas separation membrane layers. Flows in the opposite direction.
  • a support made of an electronic conductive material replaces the role of the conductive film of the second plate-shaped module or the third plate-shaped module, and the oxygen ions are lowered in the porous electrode active layer due to the oxygen partial pressure difference.
  • the oxygen separation membrane penetrates toward the opposite electrode active layer in the partial pressure of oxygen in the form of oxygen ions as anions. However, electrons flow through the support and in the opposite direction to oxygen ions.
  • the gas separation membrane module selectively transmits oxygen through the exchange of oxygen ions through the conductive gas separation membrane and the exchange of electrons by the connecting material.
  • Membranes using existing mixed conducting materials or composites of ionic and hydrogen ion conductive oxides are difficult to realize under the above conditions due to decomposition or phase change in reducing gas atmosphere.
  • the hydrocarbon reforming and the multiple coupling reaction using the oxygen separation membrane module have a temperature of 500 to 900 ° C. in the space to which the separation membrane module belongs, and the supply pressure of the water vapor and nitrogen ranges from normal pressure to about 10 atmospheres. Phosphorus condition is required, and the fuel gas methane is supplied at atmospheric pressure.
  • the ammonia produced in the multiple coupling reaction may be collected by applying any of the ammonia collection processes known to those skilled in the art.
  • a hydrocarbon-based fuel gas such as methanol, ethanol, propane, butane, as well as methane, which is a reducing gas, may be used for the cermet.
  • a hydrocarbon-based fuel gas such as methanol, ethanol, propane, butane, as well as methane, which is a reducing gas.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a methane gas reforming process in a first plate-type module and a second plate-type module using a hydrogen separation membrane as a gas separation membrane.
  • the first space is supplied with methane gas which is a hydrocarbon mixed with hydrogen and carbon monoxide.
  • methane gas which is a hydrocarbon mixed with hydrogen and carbon monoxide.
  • hydrogen passes through the hydrogen ion conductive separator in the form of hydrogen ions from the first space under the module where the lower electrode active layer having the high partial pressure of hydrogen is located to the second upper space of the module with low hydrogen partial pressure, and the electrons are made of an electron conductive material. It flows from the bottom of the module toward the top through the membrane formed in the same direction as the hydrogen ions.
  • the gas mixture When the hydrocarbon mixture containing hydrogen is placed in the lower part of the module, the gas mixture reaches the hydrogen ion conductive separator through the electrode active layer located in the first space, and the hydrogen in the hydrogen ion conductive separator loses electrons to become hydrogen ions. At this time, the electrons separated from the hydrogen ions flow in the same direction as the hydrogen ions to the porous electrode active layer through the conductive membrane. When hydrogen ions penetrate the hydrogen ion conductive membrane and reach the porous electrode active layer, which is a catalyst layer, electrons are obtained to form a hydrogen gas.
  • a support made of an electronic conductive material replaces the role of the conductive film of the second plate-shaped module or the third plate-shaped module, and electrons flow through the electronic conductive support, and the second plate-shaped module or the third plate-shaped module It flows in the same direction as the hydrogen ions transmitted through the hydrogen separation membrane as shown.
  • 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 first space, and also known carbon monoxide capture process can be collected by applying any known to those skilled in the art.
  • a Gd-doped ceria (Cd 0.9 Gd 0.1 O 2- ⁇ ) tape having a thickness of 50 ⁇ m, which is an oxygen ion permeable membrane was prepared.
  • TEC Thermal Expansion Coefficient
  • a plurality of dense electron conductive membrane tapes used a gadoline-infused ceria-lanthanum strontium cobalt ferrite (GDC-LSCF) composite, and the volume ratio of the composites was Ce 0.9. 80 vol% Gd 0.1 O 2- ⁇ and 20 vol% lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF) were laminated. Sintering was carried out at 1350 ° C.
  • TEC Thermal Expansion Coefficient
  • a plurality of dense band-type electroconductive membrane tapes used a gadolinium-infused ceria-lanthanum strontium manganite (GDC-LSM) composite, and the volume ratio of each composite component was Ce.
  • the stack was selected at 0.9 Gd 0.1 O 2- ⁇ 80 vol% and lanthanum strontium manganite (LSM) 20 vol%. Sintering was carried out at 1350 ° C.
  • lanthanum strontium cobalt was selected as an electrode active layer and coated on the top and bottom using a screen printing method, and heat-treated at 1000 ° C. for 3 hours for bonding of the coating layer, as shown in FIG. 12. And a large area rectangular gas separation membrane module (5.5 cm ⁇ 5.5 cm) was produced.

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Abstract

The present invention relates to a plate-type module structure for connecting and extending a support layer, which exchanges gas ions by using an ion-conductive separation film and is formed from a dense-structure electronic-conductive material, or a unit short circuit separation film for selectively passing a gas through an electron exchange reaction by the film. The present invention has the advantage of: obtaining remarkable chemical and mechanical durability by using a fluorite-based ion-conductive film which is stable at high temperatures, specifically, within a CO2 and H2O atmosphere; and manufacturing a pure gas at a low cost since gas can be passed by using an internal circuit without applying a voltage from the outside. In addition, the present invention enables a compact separation film module for manufacturing a gas by stacking plate-type films to be easily formed, and the separation film module to be manufactured by using a tape casting method, and thereby simplifying a manufacturing process.

Description

기체분리막 판형 모듈 및 제조방법Gas separation membrane plate module and manufacturing method

본 발명은 기체분리막을 통한 기체이온의 교환 및 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체 층 또는 막에 의한 전자의 교환 반응을 통해 기체를 투과시키는 단위 단락 분리막을 연결 및 확장하기 위한 기체분리막 판형 모듈구조에 관한 것이다.The present invention relates to a gas separation membrane plate module structure for connecting and expanding a unit short-circuit membrane through which gas is permeated through exchange of gas ions through a gas separation membrane and exchange of electrons by a support layer or membrane made of an electron conductive material. .

기체 투과를 위한 이온 투과 세라막 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. Ion-permeable ceramic membrane membranes for gas permeation are largely divided into pure gas ion conductive membranes and mixed ionic-electronic conducting (MIEC) membranes. Pure gas ion conductive membranes require an external power source and electrodes to supply current, and the gas ion permeation rate is precisely controlled by the current supply, and the gas can move in any direction regardless of the partial pressure of oxygen located in both directions of the membrane. have. In contrast, the ion-electron mixed conductive film transmits gas ions and electrons by the pressure difference of the gas without supplying external power. 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. There is a dual phase ion-electron mixed conducting film which respectively transmits into a phase, and the dual phase ion-electron mixed conducting film has an electron conducting oxide material or a metal phase and a fluorite structure or fluorite which transmits electrons. It includes a fluorite phase.

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.The perovskite constituting the single-phase ion-electron mixed conductive film is formed of oxides of the gas and perovskite in the presence of an acidic or reducing gas such as CO 2 , H 2 S, H 2 O, or CH 4 . It is chemically unstable because the reaction destroys the perovskite structure. That is, most of the mixed conducting oxides are difficult to be used in actual process conditions because they have a problem of decomposing in the form of carbonate or hydroxide in the presence of CO 2 or H 2 O.

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. 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.

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 기체분리막을 제조하기 위해 소결하는 과정에서 두가지 물질 사이에 반응에 의해 계면에서 절연층을 형성하게 되어, 기체투과도가 낮아지는 문제점(하기 비특허 문헌 1 참조)이 있다.In addition, in the dual phase ion-electron mixed conductive film, a complex of an electron conductive oxide (eg, perovskite-based or spinel-based) and 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. However, when sintering, the problem of two materials reacting is inevitable, which leads to low gas ion permeability. That is, this method forms an insulating layer at the interface by the reaction between the two materials during the sintering process to produce a dense gas separation membrane, there is a problem that the gas permeability is lowered (see Non-Patent Document 1).

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. Accordingly, there is a need for a new separator that balances chemical stability and gas ion permeability. To solve this problem, 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.

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 Ag, Pt, Au 와 같은 금속을 사용해야 하므로 제조단가가 높아지는 문제점이 있다. 따라서 이온 전도막의 두께를 줄이면서 대면적이 가능한 저 제조비용의 단락분리막을 구현할 수 있는 기술개발이 요구된다. 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. However, conventional membranes with external short circuits are limited to thinner materials because they are ion-conductive ceramic supports. In addition, if the large area is increased, the conduction path of the electrons is increased, and thus the resistance is increased, so that high transmittance cannot be obtained. Since a metal such as Ag, Pt, and Au must be used as the conductive sealing material, 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.

지금까지 단막 분리막의 판형 모듈화에 대한 개념은 보고되지 않았고, 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 6,565,632에서 개시된 원통형 멤브레인의 경우에도 단위 부피 내에 멤브레인 면적이 작기 때문에 대면적, 대용량 기체제조 모듈을 제조하고자 할 때, 기체제조설비가 차지하는 설비비용이 증가하는 문제가 있다. Until now, the concept of a modular modular membrane has not been reported, and the conventional technology is based on a plate-shaped structure in constructing a module, and in the case of the Galvanic method, a separate electric energy is consumed because voltage must be applied from the outside. There is a problem that the oxygen production cost is high. In the case of the cylindrical membrane disclosed in US Pat. No. 6,565,632, since the membrane area is small in the unit volume, there is a problem in that the equipment cost occupied by the gas production equipment increases when a large area and a large capacity gas production module is to be manufactured.

또한 미국 등록특허 US 7,556,676은 혼합 산소이온 전도성 기체분리막에 관한 기술을 개시한다. 상기 기체분리막은 전자 상(electronic phase)과 이온 상(ionic phase) 및 다공성 지지체층으로 구성되어 있으며, 이온 상과 전자 상이 일정한 크기를 가지고 있어서 소형화에 한계가 있다. U.S. Pat.No. 7,556,676 also discloses a technique for mixed oxygen ion conductive gas separation membranes. The gas separation membrane is composed of an electronic phase, an ionic phase, and a porous support layer, and the ion phase and the electronic phase have a constant size, thereby limiting miniaturization.

이러한 문제점을 고려하여 보다 컴팩트한 구조의 기체분리막 모듈의 기술 개발이 요구된다.In consideration of these problems, a technical development of a gas separation membrane module having a more compact structure is required.

[선행기술문헌][Preceding technical literature]

[특허문헌][Patent Documents]

(0001) 미국 등록특허 US 7,556,676(0001) United States Patent US 7,556,676

(0002) 미국 등록특허 US 6,565,632(0002) United States Patent US 6,565,632

[비특허문헌][Non-Patent Documents]

(0001) Kharton et al.,“Oxygen transport in Ce0.8Gd0.2O2d-based composite membranes”, Solid State Ionics, 160 (2003), 247(0001) Kharton et al., “Oxygen transport in Ce 0.8 Gd 0.2O2 d-based composite membranes”, Solid State Ionics, 160 (2003), 247

본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 이온전도성 기체분리막을 통한 기체이온의 교환 및 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체 층 또는 막에 의한 전자의 교환 반응을 통해 기체를 선택적으로 투과시키는 단위 단락 분리막을 연결 및 확장하기 위한 판형 모듈구조를 제공한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and selectively transmits gas through exchange of gas ions through an ion conductive gas separation membrane and exchange of electrons by a support layer or membrane made of an electron conductive material. Provides a plate-like module structure for connecting and expanding unit short-circuit separators.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명자들은 이온전도성 분리막을 이용한 기체이온의 교환 및 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체층 또는 막에 의한 전자의 교환 반응을 통해 기체를 선택적으로 투과시키는 단위 단락 분리막을 연결 및 확장하기 위한 판형 모듈구조를 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.In order to solve the above problems, the present inventors connect a unit short-circuit separator which selectively permeates gas through the exchange of gas ions using an ion conductive separator and the exchange of electrons by a support layer or membrane made of a dense structure electron conductive material. And to find a plate-like module structure for expansion, to complete the present invention.

본 발명은 복수개의 공규가 형성된 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체; 상기 복수개의 공규가 형성하는 각각의 공간을 상기 지지체 상면에 접하며 덮고, 서로 분리되어 위치하는 복수개의 판형 기체 분리막; 상기 판형 기체분리막 및 상기 지지체의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층; 및 상기 판형 기체분리막의 하면과 상기 지지체의 공규 내측면 상부에 접하여 위치하는 하부 다공성 전극활성층을 포함하고, 상기 상부 다공성 전극활성층은 지지체층을 통해 상기 하부 다공성 전극활성층으로 통전되는, 기체분리막 판형 모듈을 제공한다.The present invention includes a support made of a plate-shaped dense structure electronic conductive material having a plurality of holes; A plurality of plate-type gas separation membranes which cover each space formed by the plurality of holes in contact with an upper surface of the support and are separated from each other; An upper porous electrode active layer coated on the plate-type gas separation membrane and the support; And a lower porous electrode active layer disposed in contact with a lower surface of the plate-type gas separation membrane and an upper surface of the cogwheel inner surface of the support, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a support layer. To provide.

본 발명은 또한, 복수개의 공규가 형성된 기체 분리막; 상기 복수개의 공규가 형성하는 각각의 공간을 상기 분리막 상면에 접하며 덮고, 서로 분리되어 위치하는 복수개의 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막; 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층; 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 코팅된 하부 다공성 전극활성층을 포함하고, 상기 상부 다공성 전극활성층은 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해 상기 하부 다공성 전극활성층으로 통전되는, 기체분리막 판형 모듈을 제공한다.The present invention also comprises a gas separation membrane formed with a plurality of co-gyu; A membrane made of a plurality of plate-shaped dense structure electronic conductive materials which cover each space formed by the plurality of holes in contact with an upper surface of the separator and are separated from each other; An upper porous electrode active layer coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact; And a lower porous electrode active layer coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a membrane made of an electronic conductive material. Provides a plate module.

본 발명은 또한, 복수개의 띠가 일정한 간격으로 이격되어 서로 평행하게 배열되는 형태의 이온 전도성 기체 분리막; 상기 간격이 이루는 각각의 공간을 상기 분리막 상면에 접하며 덮고, 서로 분리되어 위치하는 평행한 띠 형태의 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막; 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층; 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 코팅된 하부 다공성 전극활성층을 포함하고,상기 상부 다공성 전극활성층은 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해 상기 하부 다공성 전극활성층으로 통전되는, 기체분리막 판형 모듈을 제공한다.The present invention also provides a plurality of bands are ion-conductive gas separation membrane in the form of being arranged parallel to each other spaced at regular intervals; A membrane made of a dense structured electronically conductive material having a parallel band shape and covering each space formed by the gap to be in contact with an upper surface of the separator and separated from each other; An upper porous electrode active layer coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact; And a lower porous electrode active layer coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a membrane made of an electronic conductive material. Provides a plate module.

본 발명은 또한, 상기 전자 전도성 물질은 서멧(Cermet), 전자 전도성 금속산화물, 및 이온전도성 전해질 재료-전자전도성 금속산화물 복합체 중에서 선택되는, 기체분리막 판형 모듈을 제공한다.The present invention also provides a gas separation membrane plate module, wherein the electron conductive material is selected from cermet, electron conductive metal oxide, and ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite.

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, 기체분리막 판형 모듈을 제공한다.The present invention also, 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 It is made of at least one material, the ion conductive electrolyte material included in the cermet, the gas separation membrane, the same material as the gas separation membrane, Provides a plate module.

본 발명은 또한, 상기 전자전도성 금속산화물은, 스트론튬 타이타늄 페라이트(SrTi1-xFexO3-δ, STF), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 코발타이트(Lanthanum strontium Cobatite, LSC), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 망간 페라이트 (MnFe2O4), 및 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는 하나 이상이고, 상기 이온전도성 전해질 재료-전자전도성 금속산화물 복합체는, 이온전도성 전해질 재료와 상기 전자전도성 금속산화물로 구성되고, 상기 복합체에서 상기 이온전도성 전해질 재료의 부피비는 20 내지 80%이며, 상기 이온전도성 전해질 재료는, 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리니아 주입 세리아(gadolinia doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Smaria doped-Ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates) SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상이고, 상기 복합체에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인, 기체분리막 판형 모듈을 제공한다.The present invention, the electron conductive metal oxide, strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3-δ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium manganite (Lanthanum strontium Manganite, LSM), lanthanum strontium cobalt tight (lanthanum strontium Cobatite, LSC), lanthanum strontium chromite (lanthanum strontium chromite, LSCr), lanthanum strontium cobalt ferrite (lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) , manganese ferrite (MnFe 2 O 4), and At least one selected from nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ), and the ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite is composed of an ion conductive electrolyte material and the electron conductive metal oxide, and in the composite, the ion conductive electrolyte material The volume ratio of 20 to 80%, the ion conductive electrolyte material, yttria stabilized zirconia (ytt ria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SCSZ), gadolinia doped-ceria (GDC), Smaria doped-Ceria, lanthanum gallate gallates) at least one selected from SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7 , and the ion conductive electrolyte material included in the composite is Provided is a gas separation membrane plate module, which is the same material as the gas separation membrane.

본 발명은 또한, 상기 기체분리막은 두께가 50 내지 500μm인 수소분리막 또는 산소분리막이고, 상기 산소분리막은 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 란타늄갈레이트 (Lanthanum gallates) 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지고, 상기 수소분리막은 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지는, 기체분리막 판형 모듈을 제공한다.The present invention, the gas separation membrane is a hydrogen separation membrane or oxygen separation membrane having a thickness of 50 to 500μm, the oxygen separation membrane is yttria-stabilized zirconia (YSZ), Scandia-stabilized zirconia (ScZ) , Gadolinium implanted ceria (Gd doped-ceria, GDC), samarium implanted ceria (Sm doped-Ceria), and lanthanum gallates (Lanthanum gallates) of one or more materials selected from, the hydrogen separation membrane is SrCeO 3 , BaCeO It provides a gas separation membrane plate module consisting of one or more materials selected from 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7 .

본 발명은 또한, 상기 다공성 전극활성층은 다공성 금속, 다공성 서멧(Cermet), 및 다공성 전자전도성 금속산화물 중에서 선택되고,상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나인, 기체분리막 판형 모듈을 제공한다.In another aspect, the porous electrode active layer is selected from a porous metal, a porous cermet, and a porous electron conductive metal oxide, and the porous metal is one selected from nickel, a nickel alloy, and an iron-based alloy. To provide.

본 발명은 또한, 상기 전자전도성 금속산화물은, 스트론튬 타이타늄 페라이트(SrTi1-xFexO3-δ, STF), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 코발타이트(Lanthanum strontium Cobatite, LSC), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 망간 페라이트 (MnFe2O4), 및 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는 하나 이상인, 기체분리막 판형 모듈을 제공한다.The present invention, the electron conductive metal oxide, strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3-δ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium manganite (Lanthanum strontium Manganite, LSM), lanthanum strontium cobalt tight (lanthanum strontium Cobatite, LSC), lanthanum strontium chromite (lanthanum strontium chromite, LSCr), lanthanum strontium cobalt ferrite (lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) , manganese ferrite (MnFe 2 O 4), and Provided is a gas separation membrane plate module, which is at least one selected from nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ).

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, 기체분리막 판형 모듈을 제공한다.The present invention also, 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 It is made of at least one material, the ion conductive electrolyte material included in the cermet, the gas separation membrane, the same material as the gas separation membrane, Provides a plate module.

본 발명은 또한, 테이프 캐스팅(Tape Casting) 공정을 이용하여 복수개의 공규가 있는 판형 다공 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체 테이프(tape)를 제조하는 단계; 복수개의 기체분리막 테이프로 상기 복수개의 공규를 덮되, 각각의 상기 기체분리막이 서로 분리되어 위치하도록 상기 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체 테이프 상면에 적층하는 단계; 상기 적층하는 단계를 거친 후 치밀화를 위해, 상기 기체분리막 테이프와 상기 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체 테이프를 1200 내지 1500℃에서 동시소결하는 단계; 및 상기 공규를 덮은 기체분리막의 상면과 상기 지지체의 상면 및 상기 공규 내부에 노출된 기체분리막의 하면과 상기 공규의 내측면 상부에 다공성 전극활성층을 코팅하는 단계를 포함하는, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for manufacturing a support tape made of a plurality of porous plate-shaped electronically conductive materials using a tape casting process; Stacking a plurality of gas separator membrane tapes on a support tape made of the plate-shaped dense structure electronic conductive material such that each of the gas separator membranes is separated from each other; Co-sintering the gas separation membrane tape and the support tape made of the plate-shaped dense structure electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C. for densification after the laminating step; And coating a porous electrode active layer on an upper surface of the gas separation membrane covering the cavity and an upper surface of the support and an upper surface of the gas separation membrane exposed to the inside of the cavity and an upper surface of the inner surface of the cavity. Provide a method.

본 발명은 또한, 테이프 캐스팅(Tape Casting) 공정을 이용하여 복수개의 공규가 있는 기체분리막 테이프(tape)를 제조하는 단계; 복수개의 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프로 상기 복수개의 공규를 덮되, 각각의 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 서로 분리되어 위치하도록 상기 기체분리막 테이프 상면에 적층하는 단계; 상기 적층하는 단계를 거친 후 치밀화를 위해, 상기 기체분리막 테이프와 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프를 1200 내지 1500℃에서 동시소결하는 단계; 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면, 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 다공성 전극활성층을 코팅하는 단계를 포함하는, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method of manufacturing a gas separation membrane tape having a plurality of coarse particles using a tape casting process; Covering the plurality of holes with a membrane tape made of a plurality of densely structured electronically conductive materials, and laminating them on the upper surface of the gas separation membrane tape such that the films made of the electronically conductive materials are separated from each other; Co-sintering the gas separation membrane tape and the membrane tape made of the electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C. for densification after the laminating; And coating a porous electrode active layer on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, and a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact. To provide.

본 발명은 또한, 테이프 캐스팅(Tape Casting) 공정을 이용하여 복수개의 띠 형태의 기체분리막 테이프(tape)를 제조하는 단계; 상기 복수개의 기체분리막을 일정한 간격으로 이격하여 서로 평행하게 배열하고, 띠 형태의 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프로 상기 간격이 이루는 각각의 공간을 덮되, 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프는 서로 분리되어 위치하도록 상기 기체분리막 테이프 상면에 적층하는 단계; 상기 적층하는 단계를 거친 후 치밀화를 위해, 상기 기체분리막 테이프와 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프를 1200 내지 1500℃에서 동시 소결하는 단계; 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면, 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 다공성 전극활성층을 코팅하는 단계를 포함하는, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법을 제공한다.The present invention also provides a method for manufacturing a plurality of strip-shaped gas separator tapes using a tape casting process; The plurality of gas separation membranes are spaced at regular intervals and arranged in parallel to each other, and each of the spaces formed by the gaps is covered with a membrane tape made of a dense structure of an electron conductive material, and the membrane tapes made of the electronic conductive materials Stacking on the upper surface of the gas separation membrane tape to be separated and positioned; Simultaneously sintering the gas separation membrane tape and the membrane tape made of the electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C. for densification after the laminating; And coating a porous electrode active layer on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, and a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact. To provide.

본 발명은 또한, 상기 전자 전도성 물질은 서멧(Cermet), 전자 전도성 금속산화물, 및 이온전도성 전해질 재료-전자전도성 금속산화물 복합체 중에서 선택되는, 기체분리막 판형 모듈을 제공한다.The present invention also provides a gas separation membrane plate module, wherein the electron conductive material is selected from cermet, electron conductive metal oxide, and ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite.

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, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법을 제공한다.The present invention also, 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 It is made of at least one material, the ion conductive electrolyte material included in the cermet, the gas separation membrane, the same material as the gas separation membrane, It provides a method of manufacturing a plate module.

본 발명은 또한, 상기 전자전도성 금속산화물은, 스트론튬 타이타늄 페라이트(SrTi1-xFexO3-δ, STF), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 코발타이트(Lanthanum strontium Cobatite, LSC), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 망간 페라이트 (MnFe2O4), 및 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는 하나 이상이고, 상기 이온전도성 전해질 재료-전자전도성 금속산화물 복합체는, 이온전도성 전해질 재료와 상기 전자전도성 금속산화물로 구성되고, 상기 복합체에서 상기 이온전도성 전해질 재료의 부피비는 20 내지 80%이며, 상기 이온전도성 전해질 재료는, 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리니아 주입 세리아(gadolinia doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Smaria doped-Ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates) SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상이고, 상기 복합체에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법을 제공한다.The present invention, the electron conductive metal oxide, strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3-δ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium manganite (Lanthanum strontium Manganite, LSM), lanthanum strontium cobalt tight (lanthanum strontium Cobatite, LSC), lanthanum strontium chromite (lanthanum strontium chromite, LSCr), lanthanum strontium cobalt ferrite (lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) , manganese ferrite (MnFe 2 O 4), and At least one selected from nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ), and the ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite is composed of an ion conductive electrolyte material and the electron conductive metal oxide, and in the composite, the ion conductive electrolyte material The volume ratio of 20 to 80%, the ion conductive electrolyte material, yttria stabilized zirconia (ytt ria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SCSZ), gadolinia doped-ceria (GDC), Smaria doped-Ceria, lanthanum gallate gallates) at least one selected from SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7 , and the ion conductive electrolyte material included in the composite is Provided is a method for producing a gas separation membrane plate module, which is the same material as the gas separation membrane.

본 발명은 또한, 상기 기체분리막은 두께가 50 내지 500μm인 수소분리막 또는 산소분리막이고, 상기 산소분리막은 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 란타늄갈레이트 (Lanthanum gallates) 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지고, 상기 수소분리막은 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지는, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법을 제공한다.The present invention, the gas separation membrane is a hydrogen separation membrane or oxygen separation membrane having a thickness of 50 to 500μm, the oxygen separation membrane is yttria-stabilized zirconia (YSZ), Scandia-stabilized zirconia (ScZ) , Gadolinium implanted ceria (Gd doped-ceria, GDC), samarium implanted ceria (Sm doped-Ceria), and lanthanum gallates (Lanthanum gallates) of one or more materials selected from, the hydrogen separation membrane is SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7 Provides a method for producing a gas separation membrane plate module consisting of one or more materials selected from.

본 발명은 또한, 상기 다공성 전극활성층은 다공성 금속, 다공성 서멧(Cermet), 및 다공성 전자전도성 금속산화물 중에서 선택되고, 상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나인, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the porous electrode active layer is selected from a porous metal, a porous cermet, and a porous electron conductive metal oxide, and the porous metal is one selected from nickel, a nickel alloy, and an iron-based alloy. It provides a method of manufacturing.

본 발명은 또한, 상기 전자전도성 금속산화물은, 스트론튬 타이타늄 페라이트(SrTi1-xFexO3-δ, STF), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 코발타이트(Lanthanum strontium Cobatite, LSC), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 망간 페라이트 (MnFe2O4), 및 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는 하나 이상인, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법을 제공한다.The present invention, the electron conductive metal oxide, strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3-δ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium manganite (Lanthanum strontium Manganite, LSM), lanthanum strontium cobalt tight (lanthanum strontium Cobatite, LSC), lanthanum strontium chromite (lanthanum strontium chromite, LSCr), lanthanum strontium cobalt ferrite (lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) , manganese ferrite (MnFe 2 O 4), and Provided is a method of manufacturing a gas separation membrane plate module, which is at least one selected from nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ).

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, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법을 제공한다.The present invention also, 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 It is made of at least one material, the ion conductive electrolyte material included in the cermet, the gas separation membrane, the same material as the gas separation membrane, It provides a method of manufacturing a plate module.

본 발명은 또한, 상기 기체분리막 판형 모듈을 경계로 내부 공간이 제 1공간 및 제 2공간으로 나누어지고 탄화수소 개질장치의 제 1공간의 전극 활성층은 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, 탄화수소 개질방법을 제공한다.In another aspect, the present invention, the inner space is divided into a first space and a second space bordering the gas separation membrane plate module, the electrode active layer of the first space of the hydrocarbon reformer is cermet, lanthanum strontium chromit (LSCr) Or lanthanum strontium titanate (LSTi), and supplying a hydrocarbon-based fuel gas to be in contact with the surface of the first space of the reformer while maintaining the temperature at 500 to 900 ° C. ; And it provides a hydrocarbon reforming method comprising the step of obtaining a synthesis gas in the first space and the second space, or the first space.

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, 탄화수소 개질방법을 제공한다.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, further comprising the step of feeding.

본 발명은 또한, 상기 탄화수소는 메탄가스(CH4)이고, 상기 제 1공간에서 수득되는 합성가스는 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)인, 탄화수소 개질방법을 제공한다.The present invention also provides a hydrocarbon reforming method 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).

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, 탄화수소 개질방법을 제공한다.In another aspect, 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 syngas obtained is hydrogen (H 2 ).

본 발명은 또한, 상기 탄화수소는 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 질소(N2)가 혼합된 가스이고, 상기 제 1공간에서 수득되는 합성가스는 수소(H2), 일산화탄소(CO) 및 암모니아(NH3)이며, 상기 제 2공간에서 수득되는 합성가스는 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)인, 탄화수소 개질방법을 제공한다. In another aspect, the hydrocarbon is a mixture of carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O) and nitrogen (N 2 ), the synthesis gas obtained in the first space is hydrogen (H 2 ), carbon monoxide ( CO) and ammonia (NH 3 ), and the synthesis gas obtained in the second space is carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ).

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 기체투과가 일어나므로 저렴한 비용으로 순수한 기체를 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한 이온이 이동하는 기체 분리막과 전자가 이동하는 전자 전도성 지지체 또는 막을 서로 분리하여 소결함으로써, 복합체의 경우에 발생하는 소결시 두 재료의 반응에 의한 투과도 저하 문제를 피할 수 있는 장점이 있다. The present invention can secure excellent chemical and mechanical durability by using a fluorite-based ion conductive membrane which is chemically stable at high temperature, especially in a CO 2 , H 2 O atmosphere, and can be applied to an internal circuit without applying a voltage from the outside. By gas permeation occurs there is an advantage that can produce a pure gas at a low cost. In addition, by separating and sintering the gas separation membrane in which ions move and the electron conductive support or membrane in which electrons move, there is an advantage of avoiding a problem of a decrease in permeability caused by the reaction of two materials during sintering in the case of a composite.

판형 멤브레인을 적층함으로써 컴팩트한 기체제조 분리막 모듈을 구성하기에 용이하고, 또한, 판형구조의 특성인 전해질의 두께를 줄일 수 있어 높은 투과율을 가지는 것이 가능하며, 지지체 및 전해질을 테이프 캐스팅 방법으로 제작할 수 있어 제조 공정이 간단하다는 장점이 있다.By stacking the plate-shaped membrane, it is easy to construct a compact gas-producing membrane module, and it is possible to reduce the thickness of the electrolyte, which is a characteristic of the plate-shaped structure, and thus to have a high transmittance, and the support and the electrolyte can be manufactured by a tape casting method. There is an advantage that the manufacturing process is simple.

도 1은 이온전도성 분리막을 이용한 기체 분리과정의 일 예로, 산소 분리 과정을 나타낸 개략도이다. 1 is a schematic diagram illustrating an oxygen separation process as an example of a gas separation process using an ion conductive separator.

도 2는 (a)는 외부전원을 구비한 순수 기체 전도성 분리막, (b)는 혼합 전도성 분리막, (c)는 이중 상(dual phase) 분리막, (d)는 단락(short circuit) 분리막을 나타내는 개략도이다.2 is a schematic diagram showing (a) a pure gas conductive separator with an external power source, (b) a mixed conductive separator, (c) a dual phase separator, and (d) a short circuit separator to be.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 제 1 판형 모듈의 단면 구조를 나타낸 개략도이다. 3 is a schematic view showing a cross-sectional structure of a first plate-shaped module according to an embodiment of the present invention.

도 4a는 본 발명의 일 구현예에 따른 산소분리막을 이용한 제 1 판형 모듈에서 산소이온 및 전자 전달 기구를 나타내는 모식도이다.Figure 4a is a schematic diagram showing the oxygen ion and electron transfer mechanism in the first plate-shaped module using an oxygen separation membrane according to an embodiment of the present invention.

도 4b는 본 발명의 일 구현예에 따른 수소분리막을 이용한 제 1 판형 모듈에서 수소이온 및 전자 전달기구를 나타내는 모식도이다.Figure 4b is a schematic diagram showing the hydrogen ion and electron transfer mechanism in the first plate-type module using a hydrogen separation membrane according to an embodiment of the present invention.

도 5a는 본 발명의 일 구현예에 따른 제 1 판형 모듈의 단위 모듈이다.5A is a unit module of the first plate-shaped module according to an embodiment of the present invention.

도 5b는 본 발명의 일 구현예에 따른 제 1 판형 모듈의 단위 모듈을 직렬로 연결한 모듈을 나타낸 개략도이다. 5B is a schematic diagram illustrating a module in which unit modules of a first plate module according to an embodiment of the present invention are connected in series.

도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 제 2 판형 모듈을 나타낸 개략도이다. 6 is a schematic view showing a second plate-shaped module according to an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 제 3 판형 모듈의 실물 사진이다. 7 is a real picture of the third plate-shaped module according to an embodiment of the present invention.

도 8a는 본 발명의 일 구현예에 따른 기체분리막으로 산소분리막을 이용한 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형 모듈의 산소이온 및 전자 전달 기구를 나타내는 모식도이다.Figure 8a is a schematic diagram showing the oxygen ion and electron transfer mechanism of the second plate-type module and the third plate-type module using an oxygen separation membrane as a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.

도 8b는 본 발명의 일 구현예에 따른 기체분리막으로 수소분리막을 이용한 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형 모듈의 수소이온 및 전자 전달 기구를 나타내는 모식도이다. 8B is a schematic diagram illustrating hydrogen ions and electron transfer mechanisms of the second and third plate modules using the hydrogen separation membrane as a gas separation membrane according to one embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 기체분리막으로 산소분리막을 이용한 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형 모듈의 메탄가스 개질의 모식도이다.9 is a schematic diagram of methane gas reforming of the second plate-type module and the third plate-type module using an oxygen separation membrane as a gas separation membrane according to one embodiment of the present invention.

도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 기체분리막으로 산소분리막을 이용한 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형 모듈의 다중 커플링 반응을 나타내는 개략도이다.10 is a schematic diagram illustrating a multiple coupling reaction of a second plate-type module and a third plate-type module using an oxygen separation membrane as a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.

도 11은 본 발명의 일 구현예에 따른 기체분리막으로 수소분리막을 이용한 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형 모듈의 메탄가스 개질 공정을 나타내는 개략도이다.11 is a schematic diagram showing a methane gas reforming process of the second plate-type module and the third plate-type module using a hydrogen separation membrane as a gas separation membrane according to an embodiment of the present invention.

도 12는 본 발명의 일 구현예에 따른 산소 분리막을 이용한 제 3 판형 모듈의 실물 사진이다. 12 is a real picture of a third plate-shaped module using an oxygen separation membrane according to an embodiment of the present invention.

도 13은 본 발명의 일 구현예에 따른 산소 분리막을 이용한 제 2판형 모듈의 온도에 따른 산소투과도를 나타낸다. Figure 13 shows the oxygen permeability according to the temperature of the second plate-type module using the oxygen separation membrane according to an embodiment of the present invention.

도 14은 본 발명의 일 구현예에 따른 산소 분리막을 이용한 제 3 판형 모듈의 온도에 따른 산소투과도를 나타낸다.Figure 14 shows the oxygen permeability according to the temperature of the third plate-shaped module using an oxygen separation membrane according to an embodiment of the present invention.

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. Prior to the description of the invention, the terms or words used in the specification and claims described below should not be construed as limiting in their usual or dictionary meanings. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

한 양태에서 본원은 기체분리막 판형 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 기체분리막 판형 모듈은 복수개의 공규가 형성된 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체; 상기 복수개의 공규가 형성하는 각각의 공간을 상기 지지체 상면에 접하며 덮고, 서로 분리되어 위치하는 복수개의 판형 기체 분리막; 상기 판형 기체분리막 및 상기 지지체의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층; 및 상기 판형 기체분리막의 하면과 상기 지지체의 공규 내측면 상부에 접하여 위치하는 하부 다공성 전극활성층을 포함하고, 상기 상부 다공성 전극활성층은 지지체층을 통해 상기 하부 다공성 전극활성층으로 통전되는, 기체분리막 판형 모듈로, 이하 제1 판형 모듈이라 한다.In one aspect the present application relates to a gas separation membrane plate module. In one embodiment of the present invention, the gas separation membrane plate module includes a support made of a plate-shaped dense structure electronic conductive material having a plurality of holes; A plurality of plate-type gas separation membranes which cover each space formed by the plurality of holes in contact with an upper surface of the support and are separated from each other; An upper porous electrode active layer coated on the plate-type gas separation membrane and the support; And a lower porous electrode active layer disposed in contact with a lower surface of the plate-type gas separation membrane and an upper surface of the cogwheel inner surface of the support, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a support layer. Hereinafter, referred to as a first plate-shaped module.

본 발명의 또 다른 구현에에서 상기 기체분리막 판형 모듈은 복수개의 공규가 형성된 기체 분리막; 상기 복수개의 공규가 형성하는 각각의 공간을 상기 분리막 상면에 접하며 덮고, 서로 분리되어 위치하는 복수개의 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막; 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층; 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 코팅된 하부 다공성 전극활성층을 포함하고, 상기 상부 다공성 전극활성층은 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해 상기 하부 다공성 전극활성층으로 통전되는, 기체분리막 판형 모듈로, 이하 제2 판형 모듈이라 한다.In another embodiment of the present invention, the gas separation membrane plate module includes a gas separation membrane in which a plurality of holes are formed; A membrane made of a plurality of plate-shaped dense structure electronic conductive materials which cover each space formed by the plurality of holes in contact with an upper surface of the separator and are separated from each other; An upper porous electrode active layer coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact; And a lower porous electrode active layer coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a membrane made of an electronic conductive material. Plate-shaped module, hereinafter referred to as second plate-shaped module.

본 발명의 또 다른 구현에에서 상기 기체분리막 판형 모듈은 복수개의 띠가 일정한 간격으로 이격되어 서로 평행하게 배열되는 형태의 이온 전도성 기체 분리막; 상기 간격이 이루는 각각의 공간을 상기 분리막 상면에 접하며 덮고, 서로 분리되어 위치하는 평행한 띠 형태의 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막; 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층; 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 코팅된 하부 다공성 전극활성층을 포함하고, 상기 상부 다공성 전극활성층은 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해 상기 하부 다공성 전극활성층으로 통전되는, 기체분리막 판형 모듈로, 이하 제3 판형 모듈이라 한다.In another embodiment of the present invention, the gas separation membrane plate module includes an ion conductive gas separation membrane having a plurality of bands spaced at regular intervals and arranged in parallel with each other; A membrane made of a dense structured electronically conductive material having a parallel band shape and covering each space formed by the gap to be in contact with an upper surface of the separator and separated from each other; An upper porous electrode active layer coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact; And a lower porous electrode active layer coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a membrane made of an electronic conductive material. Plate-shaped module, hereinafter referred to as third plate-shaped module.

분리막이란 2상 사이에서 물질의 이동을 선택적으로 제한하는 기능을 갖는 재질의 계면(Interphase)이라고 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. The separator may be defined as an interphase of a material having a function of selectively restricting the movement of a material between two phases. As high purity and high quality products are required due to the recent advancement and diversification of the industry, the separation process is recognized as a very important process, and not only in the industrial fields such as chemical industry, food industry, and pharmaceutical industry, but also in the medical, biochemical and environmental fields. It is becoming an important research subject.

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. Gas separation using membranes is driven by the selective gas permeation principle to the membranes. That is, when the gas mixture comes into contact with the membrane surface, the gas component dissolves and diffuses into the membrane, where the solubility and permeability of each gas component are different for the membrane material. The driving force for gas separation is the partial pressure difference for the particular gas component across the membrane. In particular, membrane separation process using membrane is widely applied in all fields because of the advantages of no phase change and low energy consumption.

본 발명은 치밀구조의 형석 상(fluorite phase) 이온전도막의 양면에 다공 전기전도성 산화물(예: 페롭스카이트계 또는 스피넬(spinel)계) 또는 다공 금속막이 위치하고 상기 전도막의 양면에 위치한 전기전도성 막이 치밀구조 지지체를 통해 전기적으로 연결되는, 기체 분리막 판형 모듈에 관한 것이다. According to the present invention, a porous electrically conductive oxide (for example, perovskite-based or spinel-based) or a porous metal membrane is disposed on both surfaces of a dense fluorite phase ion conductive membrane, and an electrically conductive membrane positioned on both sides of the conductive membrane has a dense structure. A gas separator plate-shaped module is electrically connected through a support.

도 1은 이온전도성 분리막을 이용한 기체 분리 과정의 일 예인 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.1 illustrates an oxygen separation process as an example of a gas separation process using an ion conductive membrane, in which oxygen is anion in the air supply side, penetrates the ion conductive membrane, and electrons move together, but at a high pressure and a high temperature. The concept of an oxygen separator using a perovskite separator is used to provide the energy required for separation. Oxygen mixture gas at high temperature and high pressure is ionized and passed through the membrane to release electrons, which are separated into oxygen gas, and electrons move in the opposite direction to oxygen ions.

도 2는 여러 형태의 기체분리막 구조의 일 예로 산소분리막 구조를 나타낸다. 각각의 기체분리막 구조는 이온과 전자의 투과 중 특히 전자의 투과를 어떤 방식으로 일어나도록 하게 할 것인가에 따른 기술적 특징을 중심으로 하여 서로 구별된다. 도 2의 (a)는 전류를 공급하기 위한 외부 전원과 전극이 필요한 순산소분리막이다. 순산소분리막에서 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. 본 발명은 상기 도 2의 (d)에 도시된 단락형(short circuit) 분리막을 이용한 산소분리용 전극지지형 단락 분리막 모듈에 관한 것이다.2 illustrates an oxygen separation membrane structure as an example of various types of gas separation membrane structures. Each gas separation membrane structure is distinguished from each other based on technical characteristics depending on how the transmission of ions and electrons, in particular, the transmission of electrons occurs. 2A illustrates a pure oxygen separation membrane requiring an external power supply and an electrode for supplying current. The oxygen ion permeation rate in the pure oxygen separation membrane is precisely controlled by the current supply, and oxygen can move in any direction regardless of the oxygen partial pressure located in both directions of the membrane. FIG. 2 (b) shows a single phase ion-electron mixed conductive film mainly composed of a Perovskite single phase and transmitting oxygen ions and electrons. FIG. 2C shows a dual phase ion-electron mixed conductive film that transmits electrons and oxygen ions to two different phases, respectively. FIG. 2 (d) is an ion conductive ceramic separator with a short circuit for implementing a new separator that balances chemical stability and oxygen ion permeability. The present invention relates to an electrode-supported short-circuit separator module for oxygen separation using the short circuit separator shown in FIG.

종래기술 (d)는 이온 전도성 분리막 지지체이기 때문에 이 재료의 두께 (통상적: 300μm 내지 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.Since the prior art (d) is an ion conductive membrane support, there is a limit to thinning the thickness of this material (typically: 300 μm to 1 mm), which makes it difficult to obtain high oxygen permeability, and it is necessary to use a metal such as Ag, Pt, Au as a conductive sealing material. There is a problem that the manufacturing cost increases. In addition, when the large area is increased, the conduction path of the electrons is increased to increase the resistance, and thus high transmittance is hardly obtained.

본 발명의 공규란 뚫어졌거나 파낸 자리를 의미한다. 복수개의 공규가 형성된 판형 구조물은 예를 들어 창틀과 같은 형상을 갖는다. 본 발명에서는 상기 제1 판형 모듈 및 제2 판형 모듈에 복수개의 공규가 형성된 평판형의 지지체를 포함한다.The common rule of the present invention means a hole which is drilled or dug out. A plate-like structure in which a plurality of holes is formed has a shape, for example, a window frame. In the present invention, the first plate-shaped module and the second plate-shaped module includes a flat support having a plurality of holes formed thereon.

도 3은 본 발명의 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체를 이용하여 만든 제 1 판형 모듈의 단면 구조를 나타낸 것이다. 상기 제 1 판형 모듈은 복수개의 공규가 형성된 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체(10); 상기 복수개의 공규가 형성하는 각각의 공간을 상기 지지체 상면에 접하며 덮고, 서로 분리되어 위치하는 복수개의 판형 기체 분리막(20); 상기 판형 기체분리막 및 상기 지지체의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층(30); 및 상기 판형 기체분리막의 하면과 상기 지지체의 공규 내측면 상부에 접하여 위치하는 하부 다공성 전극활성층(40)을 포함하고, 상기 상부 다공성 전극활성층은 지지체층을 통해 상기 하부 다공성 전극활성층으로 통전된다. 상기 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체(10)는 모듈의 프레임을 형성하며 2개 이상의 단위모듈을 연결하므로 전기전도성이 있는 물질로 구성된다.Figure 3 shows a cross-sectional structure of a first plate-shaped module made using a support made of a dense structure electronic conductive material of the present invention. The first plate module includes a support 10 made of a plate-shaped dense structure electronic conductive material having a plurality of holes; A plurality of plate-type gas separation membranes 20 which are in contact with the upper surface of the support and cover each space formed by the plurality of holes and are separated from each other; An upper porous electrode active layer 30 coated on the plate-type gas separation membrane and the support; And a lower porous electrode active layer 40 positioned in contact with a lower surface of the plate-type gas separation membrane and an upper surface of the common inner surface of the support, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through the support layer. The support 10 made of the plate-shaped dense structure of the electronic conductive material forms a frame of the module and connects two or more unit modules, and thus is formed of an electrically conductive material.

도 4a는 기체분리막을 산소분리막으로 이용한 제 1 판형 모듈의 산소 분리공정을 개략적으로 나타낸다. 산소 이온은 높은 산소분압 상태인 판형 모듈 하부에서 낮은 산소분압 상태인 판형 모듈 상부 방향으로 상기 산소분리막을 음이온인 산소 이온 형태로 투과(51)하며 전자는 지지체를 통해서 상기 상부 다공성 전극활성층과 촉매층인 상기 하부 다공성 전극활성층 사이를 산소이온과 반대방향인 상부로부터 하부를 향한 방향으로 흐른다(52). 산소를 포함하는 가스 혼합물을 판형 모듈 하부로 넣게 되면 상기 하부 다공성 전극활성층을 통해 상기 가스 혼합물이 산소분리막에 도달하고 상기 산소분리막에서 산소는 전자를 얻어 산소이온이 된다. 산소이온이 산소분리막을 투과하여 촉매층인 다공성 전극활성층에 도달하여 전자를 내놓고 이때 산소이온에서 분리된 전자는 지지체를 통해 상부 다공성 전극활성층에서 하부 다공성 전극활성층으로 산소이온과 반대방향으로 이동한다. 본 발명의 일 구현예에서는 이온전도성 산소분리막 두께를 200μm이하로 하여 높은 투과율을 얻을 수 있다. Figure 4a schematically shows an oxygen separation process of the first plate-shaped module using a gas separation membrane as an oxygen separation membrane. Oxygen ions permeate the oxygen separation membrane in the form of oxygen ions as anions in the upper direction of the plate-shaped module under low oxygen partial pressure at the lower part of the plate-shaped module with high oxygen partial pressure, and electrons are the upper porous electrode active layer and the catalyst layer through the support. Between the lower porous electrode active layer flows in a direction from the top to the bottom in the direction opposite to the oxygen ion (52). When the gas mixture containing oxygen is placed under the plate-shaped module, the gas mixture reaches the oxygen separation membrane through the lower porous electrode active layer, and oxygen in the oxygen separation membrane obtains electrons to become oxygen ions. Oxygen ions penetrate the oxygen separation membrane to reach the porous electrode active layer, which is the catalyst layer, and release electrons. At this time, the electrons separated from the oxygen ions move in the opposite direction from the oxygen ion from the upper porous electrode active layer to the lower porous electrode active layer through the support. In one embodiment of the present invention it is possible to obtain a high transmittance by setting the ion conductive oxygen separation membrane thickness less than 200μm.

도 4b는 기체분리막을 수소분리막으로 이용한 제 1 판형 모듈의 수소 분리 공정을 개략적으로 나타낸다. 수소 이온은 높은 수소분압 상태인 판형 모듈 하부에서 낮은 수소분압 상태인 판형 모듈 상부 방향으로 상기 수소분리막을 양이온인 수소 이온 형태로 투과(61)하며 전자는 지지체를 통해서 상기 하부 다공성 전극활성층과 촉매층인 상기 상부 다공성 전극활성층 사이를 수소이온과 같은 방향인 판형 모듈 하부로부터 상부를 향한 방향으로 흐른다(62). 수소를 포함하는 가스 혼합물을 판형 모듈 하부로 넣게 되면 상기 하부 다공성 전극활성을 통해 상기 가스 혼합물이 수소분리막에 도달하고 상기 수소분리막에서 수소는 전자를 잃어 수소이온이 된다. 이때 수소이온에서 분리된 전자는 지지체를 통해 상부 다공성 전극활성층으로 수소이온과 같은 방향으로 흐른다. 수소이온이 수소분리막을 투과하여 촉매층인 다공성 전극 활성층에 도달하면 전자를 얻어 수소기체로 된다. 본 발명의 일 구현예에서는 이온전도성 수소분리막 두께를 150μm이하로 하여 높은 투과율을 얻을 수 있다. 상기 서멧은 CH4, CO 등의 기체에서 수소를 분리해 낸다. Figure 4b schematically shows a hydrogen separation process of the first plate-shaped module using a gas separation membrane as a hydrogen separation membrane. Hydrogen ions permeate the hydrogen separation membrane in the form of hydrogen ions, which are cations, from the lower part of the plate-shaped module under high hydrogen partial pressure to the upper part of the plate-shaped module with high partial pressure of electrons. Between the upper porous electrode active layer flows in a direction from the bottom of the plate-shaped module in the same direction as hydrogen ions toward the top (62). When the gas mixture containing hydrogen is placed under the plate-shaped module, the gas mixture reaches the hydrogen separation membrane through the lower porous electrode activity, and hydrogen in the hydrogen separation membrane loses electrons to become hydrogen ions. At this time, the electrons separated from the hydrogen ions flow in the same direction as the hydrogen ions to the upper porous electrode active layer through the support. When 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. In one embodiment of the present invention it is possible to obtain a high transmittance by setting the ion conductive hydrogen separation membrane thickness less than 150μm. The cermet separates hydrogen from gases such as CH 4 and CO.

이와 같이 산소이온 또는 수소이온인 프로톤 전도성 멤브레인을 통한 산소이온 또는 프로톤의 교환과, 지지체층에 의한 전자의 교환반응을 통하여 산소 또는 프로톤을 선택적으로 투과시킨다. 본 발명의 일 구현예에서, 서멧을 이용한 경우 환원기체인 메탄, 일산화탄소, 수소분자 등을 주입해 주어야 한다. 이는 예를 들어, NiO-YSZ 복합체일 경우 환원기체를 주입해야 NiO가 Ni로 환원되므로 서멧형태가 유지되기 때문이다. As described above, oxygen or protons are selectively permeated through the exchange of oxygen ions or protons through the proton conductive membrane, which is oxygen ions or hydrogen ions, and the exchange of electrons by the support layer. In one embodiment of the present invention, in the case of using a cermet, it is necessary to inject a reducing gas such as methane, carbon monoxide, hydrogen molecules. This is because, for example, in the case of NiO-YSZ composite, when the reducing gas is injected, NiO is reduced to Ni, so the cermet form is maintained.

본 발명의 일 구현예에서 상기 가스 혼합물은 300 내지 500 ppm의 이산화탄소가 포함된 합성공기, 대기 중의 공기(ambient air) 또는 공정가스를 사용한다.In one embodiment of the present invention, the gas mixture uses synthetic air containing 300 to 500 ppm of carbon dioxide, atmospheric air, or process gas.

상기와 같은 산소 또는 수소분리는 제 1 판형 모듈의 단위모듈(도 5a)을 통해 일어나며, 상기 단위 이온전체 지지형 기체분리막 판형 모듈이 서로 연결(도 5b)됨으로써 산소 또는 수소분리막 전체의 면적이 커지게 된다. 복수개의 공규가 있는 전자전도 지지체를 이용하면 대면적이 가능하며 공규의 크기에 따라 이온 투과막의 크기 및 두께를 조절할 수 있다. 또한 이를 직렬로 연결하면 콤팩트한 분리막 모듈 형성이 가능하다. The oxygen or hydrogen separation as described above occurs through the unit module (Fig. 5a) of the first plate-shaped module, the unit ion-wide support gas separation membrane plate module is connected to each other (Fig. 5b) to increase the area of the entire oxygen or hydrogen separation membrane. You lose. If the electron conduction support having a plurality of porosity is used, a large area is possible, and the size and thickness of the ion permeable membrane can be adjusted according to the size of the porosity. In addition, it is possible to form a compact membrane module by connecting them in series.

도 6은 본 발명의 분리막을 이용한 제 2 판형 모듈 구조의 개략도 이다. 상기 모듈은 복수개의 공규가 형성된 기체분리막(20); 상기 복수개의 공규가 형성하는 각각의 공간을 상기 분리막 상면에 접하며 덮고, 서로 분리되어 위치하는 복수개의 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막(10); 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층(30); 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 코팅된 하부 다공성 전극활성층(40)을 포함하고, 상기 상부 다공성 전극활성층은 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해 상기 하부 다공성 전극활성층으로 통전된다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 기체분리막(20) 및/또는 상기 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막(100)은 평판형이다. 6 is a schematic view of a second plate-shaped module structure using the separator of the present invention. The module comprises a gas separation membrane 20 formed with a plurality of holes; A membrane (10) formed of a plurality of dense structure electronic conductive materials disposed in contact with and covering each space formed by the plurality of holes in contact with an upper surface of the separator; An upper porous electrode active layer 30 coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material contacts; And a lower porous electrode active layer 40 coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through the membrane made of the electronic conductive material. . In one embodiment of the present invention, the gas separation membrane 20 and / or the membrane 100 made of the dense structure electronic conductive material is flat.

도 7은 본 발명의 분리막을 이용한 제 3 판형 모듈 구조의 개략도 이다. 상기 모듈은 복수개의 띠가 일정한 간격으로 이격되어 서로 평행하게 배열되는 형태의 이온 전도성 기체 분리막(20); 상기 간격이 이루는 각각의 공간을 상기 분리막 상면에 접하며 덮고, 서로 분리되어 위치하는 평행한 띠 형태의 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막(100); 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층(30); 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 코팅된 하부 다공성 전극활성층(40)을 포함하고, 상기 상부 다공성 전극활성층은 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해 상기 하부 다공성 전극활성층으로 통전된다. 상기 평행하게 배열된 띠 형태의 기체분리막 사이 공간에 띠 형태의 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 위치하여 상면부를 위에서 보았을 때, 띠 형태의 전자 전도성 물질로 이루어진 막 및 기체분리막이 노출된다. 7 is a schematic diagram of a third plate-shaped module structure using the separator of the present invention. The module includes an ion conductive gas separation membrane 20 in which a plurality of bands are spaced at regular intervals and arranged in parallel with each other; A membrane (100) formed of a dense structure of a conductive electronic material in the form of parallel bands which cover each space formed by the gap in contact with an upper surface of the separator and are separated from each other; An upper porous electrode active layer 30 coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material contacts; And a lower porous electrode active layer 40 coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, wherein the upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through the membrane made of the electronic conductive material. . When the membrane formed of the band-shaped electron conductive material is positioned in the space between the strip-shaped gas separation membranes arranged in parallel and viewed from above, the membrane and the gas separation membrane of the band-shaped electron conductive material are exposed.

상기 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형 모듈은 기체분리막의 형태에 따라 분류한 것이며, 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형 모듈의 기체분리막은 상기 두 모듈 모두 모듈의 프레임 역할을 하여 분리막 위치하고, 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 상기기 기체분리막의 예를 들면 상기 제 2 판형 모듈에 사용되는 기체분리막의 공규 또는 제 3 판형모듈에서의 평행한 기체분리막 사이의 간격에서 기체분리막을 덮는 구조로 위치한다. 상기 기체분리막 및 전자 전도성막이 이루는 평판형 구조에 상부 및 하부에 전극활성층을 코팅되는 것이다. The second plate-type module and the third plate-type module are classified according to the shape of the gas separation membrane, and the gas separation membranes of the second plate-type module and the third plate-type module are located in the separation membrane as both modules serve as frames of the module, A membrane made of a conductive material is positioned in such a structure as to cover the gas separation membrane in the gap between the gas separation membranes used in the second plate-shaped module, for example, or the parallel gas separation membrane in the third plate-shaped module. An electrode active layer is coated on the upper and lower portions of the plate-type structure formed by the gas separation membrane and the electron conductive membrane.

본 발명의 상기 제 1 판형 모듈의 지지체, 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형 모듈의 막은 전기 전도성이 있는 물질이며, 본 발명의 일 구현예에서 상기 전자 전도성 물질은 기체분리막 재료 복합체인 서멧(Cermet), 전자 전도성 금속산화물, 및 이온전도성 전해질 재료-전자전도성 금속산화물 복합체 중에서 선택된다. 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. 본 발명의 일 구현예에서 상기 니켈합금은 인코넬(Inconel)로, 상기 인코넬은 니켈을 주체로 하여 15%의 크로뮴, 6 내지 7%의 철, 2.5%의 타이타늄, 1% 이하의 알루미늄·망가니즈·규소를 첨가한 내열합금이다. The membrane of the support of the first plate-shaped module, the second plate-shaped module and the third plate-shaped module of the present invention is an electrically conductive material, and in one embodiment of the present invention, the electronically conductive material is a cermet that is a gas separation membrane material composite. , An electron conductive metal oxide, and an ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite. 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, the cermet forms a dense structure by performing a sintering process formed of a composite at a high temperature of 1200 to 1500 ° C. In one embodiment of the invention the nickel alloy is Inconel (Inconel), the Inconel is nickel mainly 15% chromium, 6-7% iron, 2.5% titanium, less than 1% aluminum manganese • Heat-resistant alloy with silicon added.

본 발명의 일 구현예에서, 상기 전자전도성 금속산화물에는 페롭스카이트 계열인, 스트론튬 타이타늄 페라이트(SrTi1-xFexO3-δ, STF), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 코발타이트(Lanthanum strontium Cobatite, LSC), 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, 본 발명의 일 구현예에서는 치밀구조 형성을 위해 1200 내지 1500℃의 고온공정에서 소결한다. In one embodiment of the present invention, the electron conductive metal oxide is a perovskite-based, strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3-δ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum Lanthanum strontium Manganite (LSM), Lanthanum strontium Cobatite (LSC), Lanthanum strontium Chromite (LSCr), Lanthanum strontium cobalt ferrite (LantCF) Oxides include manganese ferrite (MnFe 2 O 4 ), nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ), and the like, and in one embodiment of the present invention, are sintered at a high temperature of 1200 to 1500 ° C. to form a dense structure.

또한, 본 발명의 일 구현예에서 이온전도성 전해질 재료-전자전도성 금속산화물 복합체를 이루는 이온전도성 전해질 재료는, 산소분리막 또는 수소분리막 재료에서 선택된다. 상기 산소분리막 재료는 이트리아 안정지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리니아 주입 세리아(Gd-doped ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Sm-doped Ceria), 및 란타늄갈레이트 (Lanthanum gallates) 중에서 선택되고, 수소분리막 재료는 Perovskite계열인 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, 또는 Pyrochlore 계열인 La2Zr2O7, La2Ce2O7 중에서 선택된다. 상기 산소분리막 재료 또는 상기 수소분리막 재료 중에서 선택된 이온전도성 전해질 재료는 상기 전자전도성 금속산화물과 복합체를 이룬다. Further, in one embodiment of the present invention, the ion conductive electrolyte material forming the ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite is selected from an oxygen separation membrane or a hydrogen separation membrane material. The oxygen separation membrane material is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SCSZ), gd-doped ceria (GDC), samarium injection ceria (Sm -doped Ceria), and Lanthanum gallates, and the hydrogen separation membrane material is Perovskite-based SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , or Pyrochlore-based La 2 Zr 2 O 7 , La 2 Ce 2 O 7 It is selected from. An ion conductive electrolyte material selected from the oxygen separation membrane material or the hydrogen separation membrane material is complexed with the electron conductive metal oxide.

상기 이온전도성 전해질 재료와 상기 전자전도성 금속산화물은 복합체를 형성할 때 하나의 성분이 부피비 20 내지 80%를 차지하며, 이는 전도성을 확보하기 위해서이다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 이온전도성 전해질 재료와 상기 전자전도성 금속산화물의 부피비는 각각 50%이다. 상기와 같은 복합체는 분리막과 열팽창계수 차이가 적어서 안정된 구조를 취하며, 제조시 소결공정에서 수축률 제어에 유리해 생산성이 향상되는 효과를 가져온다. When the ion conductive electrolyte material and the electron conductive metal oxide form a composite, one component occupies 20 to 80% by volume, in order to ensure conductivity. In one embodiment of the present invention, the volume ratio of the ion conductive electrolyte material and the electron conductive metal oxide is 50%. The composite as described above has a stable structure due to a small difference between the separation coefficient and the thermal expansion coefficient, and is advantageous in controlling the shrinkage rate in the sintering process during manufacture, thereby improving productivity.

특히, 지지체 및 막 재료로 이온전도성 전해질 재료-전자전도성 금속산화물 복합체를 선택하는 경우, 상기 이온전도성 전해질 재료는 기체분리막 재료와 동일한 재료를 사용할 수 있기 때문에 동시 소결시 기체분리막과 전자전도성 막 사이의 열팽창 계수 차이를 최소화할 수 있다. In particular, when the ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite is selected as the support and the membrane material, the ion conductive electrolyte material may be the same material as the gas separation membrane material. The thermal expansion coefficient difference can be minimized.

도 8a는 기체분리막으로 산소분리막을 사용한 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형모듈의 산소 분리공정으로, 개략적으로 설명하면 다음과 같다. 산소 이온은 높은 산소분압 상태인 모듈 하부에서 낮은 산소분압 상태인 모듈 상부 방향으로 상기 산소분리막을 음이온인 산소 이온 형태로 투과(51)하며, 전자는 전도성 막을 통해서 상기 상부 다공성 전극활성층과 촉매층인 상기 하부 다공성 전극활성층 사이를 산소이온과 반대방향인 상부로부터 하부를 향한 방향으로 흐른다(52). 산소를 포함하는 가스 혼합물을 모듈 하부로 넣게 되면 상기 하부 다공성 전극활성층을 통해 상기 가스 혼합물이 산소분리막에 도달하고 상기 산소분리막에서 산소는 전자를 얻어 산소이온이 된다. 산소이온이 산소분리막을 투과하여 촉매층인 다공성 전극활성층에 도달하여 전자를 내놓고 이때 산소이온에서 분리된 전자는 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해 상부 다공성 전극활성층에서 하부 다공성 전극활성층으로 산소이온과 반대방향으로 이동한다. FIG. 8A illustrates an oxygen separation process of the second and third plate modules using the oxygen separation membrane as a gas separation membrane. Oxygen ions penetrate the oxygen separation membrane in the form of oxygen ions as anions from the lower part of the module under high oxygen partial pressure to the upper part of the lower oxygen partial pressure in the form of anion, and the electrons are the upper porous electrode active layer and the catalyst layer through the conductive membrane. Between the lower porous electrode active layer flows in a direction from the top to the bottom opposite to the oxygen ion (52). When the gas mixture containing oxygen is placed in the lower part of the module, the gas mixture reaches the oxygen separation membrane through the lower porous electrode active layer, and oxygen in the oxygen separation membrane obtains electrons to become oxygen ions. Oxygen ions penetrate the oxygen separation membrane to reach the porous electrode active layer, which is the catalyst layer, and deliver electrons. At this time, electrons separated from the oxygen ion are transferred from the upper porous electrode active layer to the lower porous electrode active layer in the opposite direction to the oxygen ion through the membrane made of an electron conductive material. Move.

도 8b는 기체분리막으로 수소분리막을 사용한 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형모듈의 수소 분리 공정을 개략적으로 나타낸다. 수소 이온은 높은 수소분압 상태인 모듈 하부에서 낮은 수소분압 상태인 모듈 상부 방향으로 상기 수소분리막을 양이온인 수소 이온 형태로 투과(61)하며 전자는 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해서 상기 하부 다공성 전극활성층과 촉매층인 상기 상부 다공성 전극활성층 사이를 수소이온과 같은 방향인 모듈 하부로부터 상부를 향한 방향으로 흐른다(62). 수소를 포함하는 가스 혼합물을 모듈 하부로 넣게 되면 상기 하부 다공성 전극활성을 통해 상기 가스 혼합물이 수소분리막에 도달하고 상기 수소분리막에서 수소는 전자를 잃어 수소이온이 된다. 이때 수소이온에서 분리된 전자는 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해 상부 다공성 전극활성층으로 수소이온과 같은 방향으로 흐른다. 수소이온이 수소분리막을 투과하여 촉매층인 다공성 전극 활성층에 도달하면 전자를 얻어 수소기체로 된다. 본 발명의 일 실시예에서는 이온전도성 수소분리막 두께를 50내지 300μm 범위로 하여 높은 투과율을 얻을 수 있다. 8b schematically illustrates a hydrogen separation process of the second plate-type module and the third plate-type module using the hydrogen separation membrane as a gas separation membrane. Hydrogen ions permeate the hydrogen separation membrane in the form of hydrogen ions, which are cations, from the lower portion of the module under high hydrogen partial pressure to the upper portion of the module under high hydrogen partial pressure, and the electrons pass through the lower porous electrode active layer through a membrane made of an electron conductive material. Between the upper porous electrode active layer, which is a catalyst layer, flows in a direction from the bottom of the module toward the top in the same direction as hydrogen ions (62). When the gas mixture containing hydrogen is placed in the lower part of the module, the gas mixture reaches the hydrogen separation membrane through the lower porous electrode activity, and hydrogen in the hydrogen separation membrane loses electrons to become hydrogen ions. In this case, the electrons separated from the hydrogen ions flow in the same direction as the hydrogen ions to the upper porous electrode active layer through the film made of the electron conductive material. When 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. In an embodiment of the present invention, a high transmittance may be obtained by setting the thickness of the ion conductive hydrogen separation membrane in the range of 50 to 300 μm.

본 발명의 일 구현예에서 상기 가스 혼합물은 300~500 ppm의 이산화탄소가 포함된 합성공기, 대기 중의 공기(ambient air) 또는 공정가스를 사용한다.In one embodiment of the present invention, the gas mixture uses synthetic air containing 300 to 500 ppm of carbon dioxide, atmospheric air, or process gas.

본 발명의 제 1 판형 모듈, 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형모듈에서 사용되는 기체분리막은 예를 들면 수소 또는 산소이온을 전달하는 물질로, 상기 기체분리막은 두께가 50 내지 500μm인 수소분리막 또는 산소분리막이고, 상기 산소분리막은 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 란타늄갈레이트 (Lanthanum gallates) 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지고, 상기 수소분리막은 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어진다.The gas separation membrane used in the first plate module, the second plate module and the third plate module of the present invention may be, for example, a material for transferring hydrogen or oxygen ions, and the gas separation membrane may have a hydrogen separation membrane or oxygen having a thickness of 50 to 500 μm. Separation membrane, the oxygen separation membrane is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SCSZ), gadolinium injection ceria (Gd doped-ceria (GDC), samarium injection ceria (Sm doped-Ceria), and lanthanum gallates (Lanthanum gallates) and one or more materials selected from, the hydrogen separation membrane SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and It consists of one or more materials selected from La 2 Ce 2 O 7 .

본 발명의 제 1 판형 모듈, 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형모듈에서 사용되는 전극 활성층은, 제 1 판형모듈의 경우(도 3참조) 지지체(10)와 기체분리막(20) 및 지지체 상면에 형성된 촉매층인 상부 다공성 전극 활성층(30)이 상기 지지체를 통해 상기 판형 기체분리막의 하면과 상기 지지체의 공규 내측면 상부에 접하여 위치하는 하부 다공성 전극활성층(40)으로 전기적으로 연결되도록 구성되어 있다. 제 2 판형 모듈의 경우(도 6참조) 판 형태의 전자 전도성 물질로 이루어진 막(100)이 접하여 있는 기체분리막(20) 구조의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성(30)은 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 코팅된 하부 다공성 전극활성층(40)과 전기적으로 연결된다. 제 3 판형 모듈의 경우(도 7참조) 띠 형태의 전자 전도성 물질로 이루어진 막(100)이 접하여 있는 기체분리막(20) 구조의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층(30)은 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 코팅된 하부 다공성 전극활성층(40)과 전기적으로 연결된다. The electrode active layer used in the first plate-shaped module, the second plate-shaped module and the third plate-shaped module of the present invention may be formed on the support 10, the gas separation membrane 20, and the upper surface of the support in the case of the first plate module (see FIG. 3). The upper porous electrode active layer 30, which is a catalyst layer, is electrically connected to the lower porous electrode active layer 40 positioned in contact with the lower surface of the plate-type gas separation membrane and the upper inner surface of the common substrate through the support. In the case of the second plate-shaped module (see FIG. 6), the upper porous electrode activity 30 coated on the upper surface of the gas separation membrane 20 structure in which the membrane 100 made of the plate-shaped electronic conductive material is in contact with the electronic conductive material. The membrane made of the electronic conductive material is electrically connected to the lower porous electrode active layer 40 coated on the lower surface of the gas separation membrane structure in contact with the membrane. In the case of the third plate module (see FIG. 7), the upper porous electrode active layer 30 coated on the upper surface of the gas separation membrane 20 structure in which the membrane 100 made of a band-shaped electronic conductive material is in contact with the electronic conductive material. The membrane made of the electronic conductive material is electrically connected to the lower porous electrode active layer 40 coated on the lower surface of the gas separation membrane structure in contact with the membrane.

본 발명의 일 구현예에서 상기 제 1 판형 모듈, 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형모듈의 상기 전극활성층은 다공성 금속, 다공성 서멧(Cermet), 및 다공성 전자전도성 금속산화물 중에서 선택되고, 상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나이다. 상기 전자전도성 금속산화물은, 스트론튬 타이타늄 페라이트(SrTi1-xFexO3-δ, STF), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 코발타이트(Lanthanum strontium Cobatite, LSC), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 망간 페라이트 (MnFe2O4), 및 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는 하나 이상이다. 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.In one embodiment of the present invention, the electrode active layer of the first plate-shaped module, the second plate-shaped module and the third plate-shaped module is selected from a porous metal, a porous cermet, and a porous electron conductive metal oxide, and the porous metal is Nickel, nickel alloys, and iron-based alloys. The electron conductive metal oxide may include strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3-δ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium manganite (LSM), and lanthanum strontium manganite. cobalt tight (lanthanum strontium Cobatite, LSC), lanthanum strontium chromite (lanthanum strontium chromite, LSCr), lanthanum strontium cobalt ferrite (lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) , manganese ferrite (MnFe 2 O 4), and nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ) is one or more selected from. 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.

상기 제 1 판형 모듈, 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형 모듈은 구조상 기체분리막 단일 모듈을 직렬로 연결하면 넓은 면적의 분리막 구조가 가능하다. 또한, 제 1 판형 모듈의 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체 또는 제 2 판형 모듈의 기체분리막 지지체로 인해 기계적으로 안정된 구조를 확보할 수 있다. 제 1 판형 모듈에서의 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체의 공규에 접하여 있는 분리막 및 제 2 판형 모듈에서의 기체분리막 공규에 접하여 있는 전자 전도성 물질로 이루어진 막의 간격 및 너비 등을 조절함으로써 투과기구에서 전자 전도를 쉽게 변화 시켜 최적의 산소 또는 수소 투과조건을 취할 수 있다. 또한 제 2 판형 모듈과 같은 기체분리 기작을 갖는 제 3 판형 모듈에서도 띠형태의 분리막 및 전자전도성 막의 넓이 및 간격을 쉽게 조절하여 전자 전도 및 최적의 산소 또는 수소 투과조건을 취할 수 있다. The first plate-type module, the second plate-type module and the third plate-type module can be formed in a membrane structure having a large area by connecting a single gas separation membrane module in series. In addition, it is possible to secure a mechanically stable structure due to the support made of the electronic conductive material of the first plate-shaped module or the gas separation membrane support of the second plate-shaped module. Electron conduction in the permeation mechanism is controlled by adjusting the spacing and width of the separator made of the electronic conductive material in the first plate-shaped module and the membrane made of the electronic conductive material in the second plate-shaped module. It can be easily changed to achieve optimum oxygen or hydrogen permeation conditions. In addition, even in the third plate module having the same gas separation mechanism as the second plate module, it is possible to easily control the width and spacing of the band-shaped separator and the electron conductive membrane to achieve electron conduction and optimum oxygen or hydrogen permeation conditions.

상기와 같은 본 발명의 판형 모듈(제 1 판형모듈, 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형모듈)을 이용한 산소 또는 수소분리는 모듈에 위치한 기체분리막 전체에서 일어나므로, 산소 또는 수소분리막의 면적을 크게 할 수 있다. 또한 이를 직렬로 연결하면 콤팩트한 분리막 모듈 형성이 가능하다. Oxygen or hydrogen separation using the plate-shaped module (first plate module, second plate module and third plate module) of the present invention as described above occurs in the entire gas separation membrane located in the module, thereby increasing the area of the oxygen or hydrogen separation membrane. Can be. In addition, it is possible to form a compact membrane module by connecting them in series.

또 다른 측면에서 본 발명은 상술한 기체분리막 판형 모듈의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법은 제 1 판형모듈, 제 2 판형모듈 및 제 3 판형모듈의 제조 방법으로, 상기 제 1 판형 모듈의 제조방법은 테이프 캐스팅(Tape Casting) 공정을 이용하여 복수개의 공규가 있는 판형 다공 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체 테이프(tape)를 제조하는 단계; 복수개의 기체분리막 테이프로 상기 복수개의 공규를 덮되, 각각의 상기 기체분리막이 서로 분리되어 위치하도록 상기 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체 테이프 상면에 적층하는 단계; 상기 적층하는 단계를 거친 후 치밀화를 위해, 상기 기체분리막 테이프와 상기 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체 테이프를 1200 내지 1500℃에서 동시소결하는 단계; 및 상기 공규를 덮은 기체분리막의 상면과 상기 지지체의 상면 및 상기 공규 내부에 노출된 기체분리막의 하면과 상기 공규의 내측면 상부에 다공성 전극활성층을 코팅하는 단계를 포함한다. In another aspect, the present invention relates to a method for producing a gas separation membrane plate module described above. The method is a manufacturing method of the first plate-shaped module, the second plate-shaped module and the third plate-shaped module, the manufacturing method of the first plate-shaped module is a plate-shaped porous electronic conductivity having a plurality of holes using a tape casting process Preparing a support tape made of a material; Stacking a plurality of gas separator membrane tapes on a support tape made of the plate-shaped dense structure electronic conductive material such that each of the gas separator membranes is separated from each other; Co-sintering the gas separation membrane tape and the support tape made of the plate-shaped dense structure electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C. for densification after the laminating step; And coating a porous electrode active layer on the upper surface of the gas separation membrane covering the cavity and the upper surface of the support and the lower surface of the gas separation membrane exposed inside the cavity and on the inner side of the cavity.

상기 제 2 판형 모듈의 제조방법은 테이프 캐스팅(Tape Casting) 공정을 이용하여 복수개의 공규가 있는 기체분리막 테이프(tape)를 제조하는 단계; 복수개의 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프로 상기 복수개의 공규를 덮되, 각각의 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 서로 분리되어 위치하도록 상기 기체분리막 테이프 상면에 적층하는 단계; 상기 적층하는 단계를 거친 후 치밀화를 위해, 상기 기체분리막 테이프와 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프를 1200 내지 1500℃에서 동시소결하는 단계; 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면, 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 다공성 전극활성층을 코팅하는 단계를 포함한다.The manufacturing method of the second plate-shaped module comprises the steps of manufacturing a gas separation membrane tape (tape) having a plurality of common rules using a tape casting (Tape Casting) process; Covering the plurality of holes with a membrane tape made of a plurality of densely structured electronically conductive materials, and laminating them on the upper surface of the gas separation membrane tape such that the films made of the electronically conductive materials are separated from each other; Co-sintering the gas separation membrane tape and the membrane tape made of the electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C. for densification after the laminating; And coating a porous electrode active layer on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, and a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact.

상기 제 3 판형 모듈의 제조방법은 테이프 캐스팅(Tape Casting) 공정을 이용하여 복수개의 띠 형태의 기체분리막 테이프(tape)를 제조하는 단계; 상기 복수개의 기체분리막을 일정한 간격으로 이격하여 서로 평행하게 배열하고, 띠 형태의 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프로 상기 간격이 이루는 각각의 공간을 덮되, 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프는 서로 분리되어 위치하도록 상기 기체분리막 테이프 상면에 적층하는 단계; 상기 적층하는 단계를 거친 후 치밀화를 위해, 상기 기체분리막 테이프와 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프를 1200 내지 1500℃에서 동시 소결하는 단계; 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면, 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 다공성 전극활성층을 코팅하는 단계를 포함한다. The method of manufacturing the third plate-shaped module may include manufacturing a plurality of strip-shaped gas separation membrane tapes by using a tape casting process; The plurality of gas separation membranes are spaced at regular intervals and arranged in parallel to each other, and each of the spaces formed by the gaps is covered with a membrane tape made of a dense structure of an electron conductive material, and the membrane tapes made of the electronic conductive materials Stacking on the upper surface of the gas separation membrane tape to be separated and positioned; Simultaneously sintering the gas separation membrane tape and the membrane tape made of the electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C. for densification after the laminating; And coating a porous electrode active layer on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, and a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact.

상기 판형 모듈에 형성되는 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 발명의 일 구현예에서 상기 기체분리막 및 상기 다공성 전극활성층 코팅에는 dip-coating, screein print, 또는 CVD 방법을 사용한다. Electrode active layer formed on the plate-like module ionization reaction of oxygen molecules at the surface (O 2 + 4e - → 2O 2-) and gas-forming reaction of the hydrogen ions (2H + + 2e - → H 2) so that the coating can take place Oxygen 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. In one embodiment of the present invention, dip-coating, screein print, or CVD method is used for coating the gas separation membrane and the porous electrode active layer.

상기 제 1 판형 모듈의 지지체, 기체분리막 및 다공성 전극활성층에 사용되는 물질은 상술한 제 1 판형 모듈의 각 물질을 사용하여 형성되며 또한 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형 모듈의 기체분리막, 치밀구조 전도성 막 및 전극활성층에 사용되는 물질은 상술한 제 2 판형 모듈 및 제 3 판형 모듈의 각 물질을 사용하여 형성된다. The material used for the support, the gas separation membrane and the porous electrode active layer of the first plate-shaped module is formed by using the above-described materials of the first plate-shaped module, and also the gas separation membrane and the dense structure conductivity of the second plate-shaped module and the third plate-shaped module. The materials used for the membrane and the electroactive layer are formed using the materials of the second plate-shaped module and the third plate-shaped module described above.

또 다른 측면에서 본 발명은 상술한 기체분리막 판형 모듈을 이용한 탄화 수소 개질방법에 관한 것이다. 상기 방법은 기체분리막 판형 모듈인 제 1 판형모듈, 제 2 판형모듈 및 제 3 판형모듈을 이용하여 상기 기체분리막 판형 모듈에서 선택되는 한 모듈을 경계로 내부 공간이 제 1공간 및 제 2공간으로 나누어지고 탄화수소 개질장치의 제 1공간의 전극 활성층은 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; 및상기 제 1공간 및 상기 제 2공간, 또는 상기 제 1공간에서 합성가스를 수득하는 단계를 포함한다.In another aspect, the present invention relates to a hydrocarbon reforming method using the above-described gas separation membrane plate module. The method divides an internal space into a first space and a second space by using a first plate module, a second plate module, and a third plate module, which are gas separation membrane plate modules, as a boundary between a module selected from the gas separation membrane plate modules. The electrode active layer in the first space of the high hydrocarbon reformer is one selected from cermet, lanthanum strontium chromit (LSCr) or lanthanum strontium titanate (LSTi), and the temperature is 500 to 900 ° C. Supplying a hydrocarbon-based fuel gas in contact with the surface of the first space of the reformer; And obtaining a synthesis gas in the first space and the second space, or the first space.

본 발명의 한 구현예에서, 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 포함할 수 있다. 탄화수소 개질시 본 발명의 기체분리막 판형 모듈의 다공성 전극활성층은 서멧, 란타늄 스트론튬 크로마이트(Lanthanum strontium chromit, LSCr) 또는 란타늄 스트론튬 타이타네이트(Lanthanum strontium titanate, LSTi)에서 선택된 하나의 물질로 이루어진 전극활성층을 사용한다. In one embodiment of the present invention, the hydrocarbon reforming method, before the step of obtaining the synthesis gas, the air (air) in the second space of the reforming device to contact with the other surface of the membrane module 1 to 10 atm Supplying at a pressure may be further included. The porous electrode active layer of the gas separation membrane plate module of the present invention during hydrocarbon modification is an electrode active layer made of one material selected from cermet, lanthanum strontium chromit (LSCr), or lanthanum strontium titanate (LSTi). Use

도 9는 제 2 판형 모듈 또는 제 3 판형 모듈의 기체분리막으로 산소분리막을 이용한 메탄가스 개질에 관련된 모식도이다. 본 발명의 한 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 투과하고, 전자는 전도성 막을 통해서 하부 다공성 전극 활성층(40)으로부터 상부 다공성 전극 활성층(30)으로 흐른다. 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. 제 1 판형 모듈의 경우 제 2 판형 모듈 또는 제 3 판형 모듈의 전도성 막의 역할을 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체가 대신하는 것으로, 전자는 전자 전도성 지지체를 통해서 하부 다공성 전극 활성층으로부터 상부 전극 활성층으로 흐른다. 9 is a schematic diagram related to methane gas reforming using an oxygen separation membrane as a gas separation membrane of a second plate module or a third plate module. In one embodiment of the present invention, the hydrocarbon-based fuel gas is methane (CH 4 ) and is supplied at atmospheric pressure. Since the hydrocarbon-based fuel gas is a reducing gas, it causes an oxygen partial pressure difference to impart a driving force to move oxygen from the opposite electrode. Therefore, oxygen passes through the separator in the form of ions, and electrons flow from the lower porous electrode active layer 40 to the upper porous electrode active layer 30 through the conductive membrane. When the hydrocarbon is reformed using the membrane, oxygen is released from the air supplied to the second space in which the opposite electrode is located, and nitrogen remains. In this case, since the electrical energy is not used, 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 in the first space. In the case of the first plate-shaped module, a support made of an electronic conductive material replaces the role of the conductive film of the second plate-shaped module or the third plate-shaped module, and electrons flow from the lower porous electrode active layer to the upper electrode active layer through the electronic conductive support.

도 10은 제 2 판형 모듈 또는 제 3 판형 모듈의 기체분리막으로 산소분리막을 이용한 판형 모듈에서 다중 커플링 반응을 나타내는 개략도이다. 상기 판형 모듈을 이용한 탄화수소 개질시 상부 전극활성층(30)에 CO2, H2O, N2등의 가스를 주입하면, 산소가 빠져나가 하부 전극활성층(40)에도 동시에 CO, H2, NH3 등의 환원 가스 제조가 가능하다. 분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질에서 연료기체인 메탄은 환원성 기체이기 때문에 산소 분압차를 유발하여 반대편의 산소를 이동하는 구동력을 부여한다. 산소 이온은 높은 산소분압 상태인 다공성 전극활성층에서 낮은 산소분압 상태인 반대편 전극활성층 방향으로 상기 산소분리막을 산소 이온 형태로 투과하며 전자는 상기 기체분리막층의 사이의 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해서 산소이온과 반대 방향으로 흐른다.10 is a schematic diagram illustrating a multiple coupling reaction in a plate module using an oxygen separation membrane as a gas separation membrane of a second plate module or a third plate module. When reforming the hydrocarbon using the plate-shaped module, when gas such as CO 2 , H 2 O, or N 2 is injected into the upper electrode active layer 30, oxygen is released to the lower electrode active layer 40 simultaneously with CO, H 2 , and NH 3. Reducing gas production, such as these, is possible. In the hydrocarbon reforming using the membrane module, the fuel gas, methane, is a reducing gas, which induces an oxygen partial pressure difference, thereby providing driving force for moving oxygen on the opposite side. Oxygen ions pass through the oxygen separation membrane in the form of oxygen ions from the porous electrode active layer in the high oxygen partial pressure state to the opposite electrode active layer in the low oxygen partial pressure state, and electrons pass through the membrane made of an electron conductive material between the gas separation membrane layers. Flows in the opposite direction.

제 1 판형 모듈의 경우 제 2 판형 모듈 또는 제 3 판형 모듈의 전도성 막의 역할을 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체가 대신하는 것으로, 상기 산소 분압차에 의해 산소 이온은 높은 산소분압 상태인 다공성 전극활성층에서 낮은 산소분압 상태인 반대편 전극활성층 방향으로 상기 산소분리막을 음이온인 산소 이온 형태로 투과한다. 하지만 전자는 지지체를 통해 흐르며, 산소이온과 반대방향으로 흐른다. In the case of the first plate-shaped module, a support made of an electronic conductive material replaces the role of the conductive film of the second plate-shaped module or the third plate-shaped module, and the oxygen ions are lowered in the porous electrode active layer due to the oxygen partial pressure difference. The oxygen separation membrane penetrates toward the opposite electrode active layer in the partial pressure of oxygen in the form of oxygen ions as anions. However, electrons flow through the support and in the opposite direction to oxygen ions.

이와 같이 기체분리막 모듈에서는 전도성 기체분리막을 통한 산소이온의 교환과, 연결재에 의한 전자의 교환반응을 통하여 산소를 선택적으로 투과시킨다. 기존의 혼합전도성 물질 또는 이온 및 수소이온 전도성 산화물과의 복합체를 이용한 분리막은 환원 가스 분위기에서 분해되거나 상변화 문제가 있어 위의 조건에서는 실현되기 어렵다.As described above, the gas separation membrane module selectively transmits oxygen through the exchange of oxygen ions through the conductive gas separation membrane and the exchange of electrons by the connecting material. Membranes using existing mixed conducting materials or composites of ionic and hydrogen ion conductive oxides are difficult to realize under the above conditions due to decomposition or phase change in reducing gas atmosphere.

본 발명의 한 구현예에서 상기 산소분리막 모듈을 이용한 탄화수소 개질과 다중 커플링 반응은 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 다중 커플링 반응에서 생성된 암모니아는 당업자에게 알려진 암모니아 포집공정은 어느 것이든 적용하여 포집할 수 있다. In one embodiment of the present invention, the hydrocarbon reforming and the multiple coupling reaction using the oxygen separation membrane module have a temperature of 500 to 900 ° C. in the space to which the separation membrane module belongs, and the supply pressure of the water vapor and nitrogen ranges from normal pressure to about 10 atmospheres. Phosphorus condition is required, and the fuel gas methane is supplied at atmospheric pressure. The ammonia produced in the multiple coupling reaction may be collected by applying any of the ammonia collection processes known to those skilled in the art.

본 발명의 한 구현예에서, 기체분리막 모듈의 하부 전극 활성층을 서멧을 사용하면 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. In one embodiment of the present invention, when the lower electrode active layer of the gas separation membrane module uses a cermet, a hydrocarbon-based fuel gas such as methanol, ethanol, propane, butane, as well as methane, which is a reducing gas, may be used for the cermet. 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.

도 11은 기체분리막으로 수소분리막을 이용한 제 1 판형 모듈 및 제 2 판형 모듈에서 메탄가스 개질 공정을 나타내는 개략도이다. 본 발명의 한 구현예에서 상기 제 1공간에 수소, 일산화탄소가 혼합된 탄화수소인 메탄가스를 공급한다. 수소는 상기 조건에서 높은 수소분압 상태인 하부 전극활성층이 위치한 모듈 하부 제 1공간에서 낮은 수소분압 상태인 모듈 상부 제 2공간으로 상기 수소이온 전도성 분리막을 수소 이온 형태로 투과하며 전자는 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해서 수소 이온과 같은 방향인 모듈 하부로부터 상부를 향한 방향으로 흐른다. 수소를 포함하는 탄화수소 혼합물을 모듈 하부로 넣게 되면 상기 제 1공간에 위치한 전극활성층을 통해 상기 가스 혼합물이 수소이온 전도성 분리막에 도달하고 상기 수소이온 전도성 분리막에서 수소는 전자를 잃어 수소이온이 된다. 이때 수소이온에서 분리된 전자는 전도성 막을 통해 다공성 전극활성층으로 수소이온과 같은 방향으로 흐른다. 수소이온이 수소이온전도성 분리막을 투과하여 촉매층인 다공성 전극 활성층에 도달하면 전자를 얻어 수소기체로 된다. 제 1 판형 모듈의 경우 제 2 판형 모듈 또는 제 3 판형 모듈의 전도성 막의 역할을 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체가 대신하는 것으로, 전자는 전자 전도성 지지체를 통해 흐르며, 상기 제 2 판형 모듈 또는 제 3 판형 모듈과 같이 수소분리막을 통해 투과되는 수소이온과 같은 방향으로 흐른다. 상기 제조된 수소는 당업자에게 알려진 수소 포집공정은 어느 것이든 적용하여 포집할 수 있다. 또한 상기 제 1공간에는 일산화탄소가 잔류하게 되며, 역시 알려진 일산화탄소 포집공정은 당업자에게 알려진 어느 것이든 적용하여 포집가능하다. 11 is a schematic diagram illustrating a methane gas reforming process in a first plate-type module and a second plate-type module using a hydrogen separation membrane as a gas separation membrane. In an embodiment of the present invention, the first space is supplied with methane gas which is a hydrocarbon mixed with hydrogen and carbon monoxide. Under the above conditions, hydrogen passes through the hydrogen ion conductive separator in the form of hydrogen ions from the first space under the module where the lower electrode active layer having the high partial pressure of hydrogen is located to the second upper space of the module with low hydrogen partial pressure, and the electrons are made of an electron conductive material. It flows from the bottom of the module toward the top through the membrane formed in the same direction as the hydrogen ions. When the hydrocarbon mixture containing hydrogen is placed in the lower part of the module, the gas mixture reaches the hydrogen ion conductive separator through the electrode active layer located in the first space, and the hydrogen in the hydrogen ion conductive separator loses electrons to become hydrogen ions. At this time, the electrons separated from the hydrogen ions flow in the same direction as the hydrogen ions to the porous electrode active layer through the conductive membrane. When hydrogen ions penetrate the hydrogen ion conductive membrane and reach the porous electrode active layer, which is a catalyst layer, electrons are obtained to form a hydrogen gas. In the case of the first plate-shaped module, a support made of an electronic conductive material replaces the role of the conductive film of the second plate-shaped module or the third plate-shaped module, and electrons flow through the electronic conductive support, and the second plate-shaped module or the third plate-shaped module It flows in the same direction as the hydrogen ions transmitted through the hydrogen separation membrane as shown. The prepared hydrogen may be collected by applying any of the hydrogen collection processes known to those skilled in the art. In addition, the carbon monoxide remains in the first space, and also known carbon monoxide capture process can be collected by applying any known to those skilled in the art.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, examples are provided to help understand the present invention. However, the following examples are provided only to more easily understand the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

실시예 Example

실시예 1. 산소분리막을 이용한 제 2 판형 모듈의 제조 및 온도에 따른 산소 투과도Example 1 Fabrication of a Second Plate-Module Module Using an Oxygen Separation Membrane and Oxygen Permeability According to Temperature

이온전도성 기체분리막으로 산소이온 투과막인, 두께 50 μm인 가돌리니아 주입 세리아(Gd-doped ceria, Ce0.9Gd0.1O2-δ)테이프를 준비하였다. 복수개의 치밀한 전자전도성 막 테이프는 열팽창계수(Thermal Expansion Coefficient, TEC) 차이를 최소화하기 위하여 가돌리니아 주입 세리아-란타늄스트론튬 코발트 페라이트(GDC-LSCF) 복합체를 사용하였으며, 복합체의 성분별 부피비는 Ce0.9Gd0.1O2-δ 80 vol%와 란타늄스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanumstrontium cobalt ferrite, LSCF) 20 vol%로 선택하여 적층하였다. 치밀화를 위해 1350℃에서 5시간동안 소결하였다. 소결 후, 전자 전도 다공성 코팅층으로 란타늄스트론튬 코발트(Lanthanumstrontium cobalt)를 선택하여 스크린 프린트 방법을 이용하여 코팅하였으며 코팅층의 접합을 위하여 1000℃에서 3시간동안 열처리하였다. 상기 모듈 제작 후 온도에 따른 산소투과도를 측정한 결과(도 13), 750℃에서 0.3 cc/cm2min 이상의 높은 산소 투과도를 확인하였다.As an ion conductive gas separation membrane, a Gd-doped ceria (Cd 0.9 Gd 0.1 O 2-δ ) tape having a thickness of 50 μm, which is an oxygen ion permeable membrane, was prepared. In order to minimize the difference in Thermal Expansion Coefficient (TEC), a plurality of dense electron conductive membrane tapes used a gadoline-infused ceria-lanthanum strontium cobalt ferrite (GDC-LSCF) composite, and the volume ratio of the composites was Ce 0.9. 80 vol% Gd 0.1 O 2-δ and 20 vol% lanthanum strontium cobalt ferrite (LSCF) were laminated. Sintering was carried out at 1350 ° C. for 5 hours for densification. After sintering, lanthanum strontium cobalt was selected as the electron conductive porous coating layer and coated using a screen printing method, and heat-treated at 1000 ° C. for 3 hours to bond the coating layers. As a result of measuring the oxygen permeability according to the temperature after fabrication of the module (FIG. 13), high oxygen permeability of 0.3 cc / cm 2 min or more was confirmed at 750 ° C. FIG.

실시예 2. 산소분리막을 이용한 제 3 판형 모듈의 제조 및 온도에 따른 산소투과도Example 2 Preparation of Third Plate Module Using Oxygen Separation Membrane and Oxygen Permeability According to Temperature

이온전도성 기체분리막으로 산소이온 투과막인, 두께 100μm인 띠 형태의 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, Ce0.9Gd0.1O2-δ)테이프를 준비하였다. 복수개의 치밀한 띠형태의 전자전도성 막 테이프는 열팽창계수(Thermal Expansion Coefficient, TEC) 차이를 최소화하기 위하여 가돌리늄 주입 세리아-란타늄스트론튬 망가나이트(GDC-LSM) 복합체를 사용하였으며, 복합체의 성분별 부피비는 Ce0.9Gd0.1O2-δ 80 vol%와 란타늄스트론튬 망가나이트(Lanthanumstrontium Manganite, LSM) 20 vol%로 선택하여 적층하였다. 치밀화를 위해 1350℃에서 5시간동안 소결하였다. 소결 후, 전극 활성층으로 란타늄스트론튬 코발트(Lanthanumstrontium cobalt)를 선택하여 스크린 프린트 방법을 이용하여 상부 및 하부에 코팅하였으며 코팅층의 접합을 위하여 1000℃에서 3시간동안 열처리하여 도 12와 같이 원형 기체분리막 unit cell 및 대면적 사각형 기체분리막 모듈 (5.5 cm × 5.5 cm)을 제작하였다. A band of gadolinium-implanted ceria (Gd doped-ceria, Ce 0.9 Gd 0.1 O 2-δ ) tape having a thickness of 100 μm, which is an oxygen ion permeable membrane, was prepared as an ion conductive gas separation membrane. In order to minimize the difference in Thermal Expansion Coefficient (TEC), a plurality of dense band-type electroconductive membrane tapes used a gadolinium-infused ceria-lanthanum strontium manganite (GDC-LSM) composite, and the volume ratio of each composite component was Ce. The stack was selected at 0.9 Gd 0.1 O 2-δ 80 vol% and lanthanum strontium manganite (LSM) 20 vol%. Sintering was carried out at 1350 ° C. for 5 hours for densification. After sintering, lanthanum strontium cobalt was selected as an electrode active layer and coated on the top and bottom using a screen printing method, and heat-treated at 1000 ° C. for 3 hours for bonding of the coating layer, as shown in FIG. 12. And a large area rectangular gas separation membrane module (5.5 cm × 5.5 cm) was produced.

상기 모듈 제작 후 온도에 따른 산소투과도를 측정한 결과를 도 14에 나타내었다. 700 내지 850℃에서 측정하였으며 온도가 높아질수록 산소투과도가 증가하였다. 700℃에서 0.5 cc/cm2min이상인 높은 산소 투과도를 확인하였다.14 shows the results of measuring oxygen permeability according to temperature after fabrication of the module. Measurement was made at 700 to 850 ° C. and oxygen permeability increased with increasing temperature. High oxygen permeability of 0.5 cc / cm 2 min or more was confirmed at 700 ° C.

이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.Although the exemplary embodiments of the present application have been described in detail above, the scope of the present application is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to.

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.All technical terms used in the present invention, unless defined otherwise, are used in the meaning as commonly understood by those skilled in the art in the related field of the present invention. The contents of all publications described herein by reference are incorporated into the present invention.

[부호의 설명][Description of the code]

10. 판형 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체10. Support made of plate-shaped electronic conductive material

20. 기체분리막20. Gas separation membrane

30. 상부 다공성 전극활성층30. Upper porous electrode active layer

40. 하부 다공성 전극활성층40. Lower porous electrode active layer

51. 산소 이온 흐름51. Oxygen Ion Flow

52. 산소분리막 전자 흐름52. Oxygen Separator Electron Flow

61. 수소 이온 흐름61. Hydrogen Ion Flow

62. 수소분리막 전자 흐름62. Hydrogen Separator Electron Flow

100. 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막100. Membrane made of dense structure electronic conductive material

Claims (25)

복수개의 공규가 형성된 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체; A support made of a plate-shaped dense structure electronic conductive material having a plurality of holes formed therein; 상기 복수개의 공규가 형성하는 각각의 공간을 상기 지지체 상면에 접하며 덮고, 서로 분리되어 위치하는 복수개의 판형 기체 분리막;A plurality of plate-type gas separation membranes which cover each space formed by the plurality of holes in contact with an upper surface of the support and are separated from each other; 상기 판형 기체분리막 및 상기 지지체의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층; 및 An upper porous electrode active layer coated on the plate-type gas separation membrane and the support; And 상기 판형 기체분리막의 하면과 상기 지지체의 공규 내측면 상부에 접하여 위치하는 하부 다공성 전극활성층을 포함하고,A lower porous electrode active layer disposed in contact with a lower surface of the plate-type gas separation membrane and an upper surface of a common inner surface of the support; 상기 상부 다공성 전극활성층은 지지체층을 통해 상기 하부 다공성 전극활성층으로 통전되는, The upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a support layer, 기체분리막 판형 모듈.Gas separation membrane plate module. 복수개의 공규가 형성된 기체 분리막; A gas separation membrane in which a plurality of voids are formed; 상기 복수개의 공규가 형성하는 각각의 공간을 상기 분리막 상면에 접하며 덮고, 서로 분리되어 위치하는 복수개의 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막;A membrane made of a plurality of plate-shaped dense structure electronic conductive materials which cover each space formed by the plurality of holes in contact with an upper surface of the separator and are separated from each other; 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층; 및 An upper porous electrode active layer coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact; And 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 코팅된 하부 다공성 전극활성층을 포함하고,A lower porous electrode active layer coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material contacts; 상기 상부 다공성 전극활성층은 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해 상기 하부 다공성 전극활성층으로 통전되는, The upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a film made of an electron conductive material, 기체분리막 판형 모듈.Gas separation membrane plate module. 복수개의 띠가 일정한 간격으로 이격되어 서로 평행하게 배열되는 형태의 이온 전도성 기체 분리막; An ion conductive gas separation membrane having a plurality of bands spaced at regular intervals and arranged in parallel with each other; 상기 간격이 이루는 각각의 공간을 상기 분리막 상면에 접하며 덮고, 서로 분리되어 위치하는 평행한 띠 형태의 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막;A membrane made of a dense structured electronically conductive material having a parallel band shape and covering each space formed by the gap to be in contact with an upper surface of the separator and separated from each other; 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면에 코팅된 상부 다공성 전극활성층; 및 An upper porous electrode active layer coated on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact; And 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 코팅된 하부 다공성 전극활성층을 포함하고,A lower porous electrode active layer coated on a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material contacts; 상기 상부 다공성 전극활성층은 전자 전도성 물질로 이루어진 막을 통해 상기 하부 다공성 전극활성층으로 통전되는, The upper porous electrode active layer is energized to the lower porous electrode active layer through a film made of an electron conductive material, 기체분리막 판형 모듈.Gas separation membrane plate module. 제 1항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 전자 전도성 물질은 서멧(Cermet), 전자 전도성 금속산화물, 및 이온전도성 전해질 재료-전자전도성 금속산화물 복합체 중에서 선택되는, The electron conductive material is selected from cermet, electron conductive metal oxide, and ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite, 기체분리막 판형 모듈.Gas separation membrane plate module. 제 4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고,The cermet is a composite of an ion conductive electrolyte material and one selected from nickel, nickel alloys, and iron-based alloys, 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,The ion conductive electrolyte material is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScZ), gadolinium implanted ceria (Gd doped-ceria (GDC), samarium implanted 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 , 상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인,The ion conductive electrolyte material included in the cermet is the same material as the gas separation membrane, 기체분리막 판형 모듈.Gas separation membrane plate module. 제 4 항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 전자전도성 금속산화물은, 스트론튬 타이타늄 페라이트(SrTi1-xFexO3-δ, STF), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 코발타이트(Lanthanum strontium Cobatite, LSC), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 망간 페라이트 (MnFe2O4), 및 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는 하나 이상이고, The electron conductive metal oxide may include strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3-δ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium manganite (LSM), and lanthanum strontium manganite. cobalt tight (lanthanum strontium Cobatite, LSC), lanthanum strontium chromite (lanthanum strontium chromite, LSCr), lanthanum strontium cobalt ferrite (lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) , manganese ferrite (MnFe 2 O 4), and nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ) is one or more selected from, 상기 이온전도성 전해질 재료-전자전도성 금속산화물 복합체는, 이온전도성 전해질 재료와 상기 전자전도성 금속산화물로 구성되고, 상기 복합체에서 상기 이온전도성 전해질 재료의 부피비는 20 내지 80%이며,The ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite is composed of an ion conductive electrolyte material and the electron conductive metal oxide, and the volume ratio of the ion conductive electrolyte material in the composite is 20 to 80%, 상기 이온전도성 전해질 재료는, 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리니아 주입 세리아(gadolinia doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Smaria doped-Ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates) SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상이고,The ion conductive electrolyte materials include yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SCSZ), gadolinia doped-ceria (GDC), samarium injection ceria. (Smaria 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 상기 복합체에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인,The ion conductive electrolyte material included in the composite is the same material as the gas separation membrane, 기체분리막 판형 모듈.Gas separation membrane plate module. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 기체분리막은 두께가 50 내지 500μm인 수소분리막 또는 산소분리막이고,The gas separation membrane is a hydrogen separation membrane or oxygen separation membrane having a thickness of 50 to 500μm, 상기 산소분리막은 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 란타늄갈레이트 (Lanthanum gallates) 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지고,The oxygen separation membrane is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SCSZ), gadolinium injection ceria (Gd doped-ceria (GDC), samarium injection ceria (Sm doped-Ceria) ), And lanthanum gallates; 상기 수소분리막은 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지는, The hydrogen separation membrane is made of one or more materials selected from SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7 , 기체분리막 판형 모듈.Gas separation membrane plate module. 제 1 항 내지 제 3항 중 어느 한항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 다공성 전극활성층은 다공성 금속, 다공성 서멧(Cermet), 및 다공성 전자전도성 금속산화물 중에서 선택되고,The porous electrode active layer is selected from a porous metal, porous cermet, and porous electron conductive metal oxide, 상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나인,The porous metal is one selected from nickel, nickel alloys, and iron-based alloys, 기체분리막 판형 모듈.Gas separation membrane plate module. 제 8 항에 있어서, The method of claim 8, 상기 전자전도성 금속산화물은, 스트론튬 타이타늄 페라이트(SrTi1-xFexO3-δ, STF), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 코발타이트(Lanthanum strontium Cobatite, LSC), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 망간 페라이트 (MnFe2O4), 및 니켈 페라이트( NiFe2O4)중에서 선택되는 하나 이상인,The electron conductive metal oxide may include strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3-δ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium manganite (LSM), and lanthanum strontium manganite. cobalt tight (lanthanum strontium Cobatite, LSC), lanthanum strontium chromite (lanthanum strontium chromite, LSCr), lanthanum strontium cobalt ferrite (lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) , manganese ferrite (MnFe 2 O 4), and nickel ferrite (NiFe 2 One or more selected from O 4 ), 기체분리막 판형 모듈.Gas separation membrane plate module. 제 8 항에 있어서, The method of claim 8, 상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고,The cermet is a composite of an ion conductive electrolyte material and one selected from nickel, nickel alloys, and iron-based alloys, 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,The ion conductive electrolyte material is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScZ), gadolinium implanted ceria (Gd doped-ceria (GDC), samarium implanted 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 , 상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인,The ion conductive electrolyte material included in the cermet is the same material as the gas separation membrane, 기체분리막 판형 모듈.Gas separation membrane plate module. 테이프 캐스팅(Tape Casting) 공정을 이용하여 복수개의 공규가 있는 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체 테이프(tape)를 제조하는 단계;Preparing a support tape made of a plate-shaped dense structure electronic conductive material having a plurality of holes using a tape casting process; 복수개의 기체분리막 테이프로 상기 복수개의 공규를 덮되, 각각의 상기 기체분리막이 서로 분리되어 위치하도록 상기 판형 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체 테이프 상면에 적층하는 단계; Stacking a plurality of gas separator membrane tapes on a support tape made of the plate-shaped dense structure electronic conductive material such that each of the gas separator membranes is separated from each other; 상기 적층하는 단계를 거친 후 치밀화를 위해, 상기 기체분리막 테이프와 상기 판형 다공 전자 전도성 물질로 이루어진 지지체 테이프를 1200 내지 1500℃에서 동시소결하는 단계; 및Co-sintering the gas separation membrane tape and the support tape made of the plate-shaped porous electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C. for densification after the laminating step; And 상기 공규를 덮은 기체분리막의 상면과 상기 지지체의 상면 및 상기 공규 내부에 노출된 기체분리막의 하면과 상기 공규의 내측면 상부에 다공성 전극활성층을 코팅하는 단계를 포함하는,And coating a porous electrode active layer on an upper surface of the gas separation membrane covering the cavity and an upper surface of the support and an upper surface of the gas separation membrane exposed to the inside of the cavity and an inner surface of the cavity. 기체분리막 판형 모듈의 제조방법.Method for producing a gas separation membrane plate module. 테이프 캐스팅(Tape Casting) 공정을 이용하여 복수개의 공규가 있는 기체분리막 테이프(tape)를 제조하는 단계;Manufacturing a plurality of gas separator membrane tapes using a tape casting process; 복수개의 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프로 상기 복수개의 공규를 덮되, 각각의 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 서로 분리되어 위치하도록 상기 기체분리막 테이프 상면에 적층하는 단계; Covering the plurality of holes with a membrane tape made of a plurality of densely structured electronically conductive materials, and laminating them on the upper surface of the gas separation membrane tape such that the films made of the electronically conductive materials are separated from each other; 상기 적층하는 단계를 거친 후 치밀화를 위해, 상기 기체분리막 테이프와 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프를 1200 내지 1500℃에서 동시소결하는 단계; 및Co-sintering the gas separation membrane tape and the membrane tape made of the electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C. for densification after the laminating; And 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면, 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 다공성 전극활성층을 코팅하는 단계를 포함하는,Coating a porous electrode active layer on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, and a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact; 기체분리막 판형 모듈의 제조방법.Method for producing a gas separation membrane plate module. 테이프 캐스팅(Tape Casting) 공정을 이용하여 복수개의 띠 형태의 기체분리막 테이프(tape)를 제조하는 단계;Manufacturing a plurality of strip-shaped gas separator tapes using a tape casting process; 상기 복수개의 기체분리막을 일정한 간격으로 이격하여 서로 평행하게 배열하고, 띠 형태의 치밀구조 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프로 상기 간격이 이루는 각각의 공간을 덮되, 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프는 서로 분리되어 위치하도록 상기 기체분리막 테이프 상면에 적층하는 단계; The plurality of gas separation membranes are spaced at regular intervals and arranged in parallel to each other, and each of the spaces formed by the gaps is covered with a membrane tape made of a dense structure of an electron conductive material, and the membrane tapes made of the electronic conductive materials Stacking on the upper surface of the gas separation membrane tape to be separated and positioned; 상기 적층하는 단계를 거친 후 치밀화를 위해, 상기 기체분리막 테이프와 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막 테이프를 1200 내지 1500℃에서 동시 소결하는 단계; 및Simultaneously sintering the gas separation membrane tape and the membrane tape made of the electronic conductive material at 1200 to 1500 ° C. for densification after the laminating; And 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 상면, 및 상기 전자 전도성 물질로 이루어진 막이 접하여 있는 기체분리막 구조의 하면에 다공성 전극활성층을 코팅하는 단계를 포함하는,Coating a porous electrode active layer on an upper surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact, and a lower surface of the gas separation membrane structure in which the membrane made of the electronic conductive material is in contact; 기체분리막 판형 모듈의 제조방법.Method for producing a gas separation membrane plate module. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 11 to 13, 상기 전자 전도성 물질은 서멧(Cermet), 전자 전도성 금속산화물, 및 이온전도성 전해질 재료-전자전도성 금속산화물 복합체 중에서 선택되는, The electron conductive material is selected from cermet, electron conductive metal oxide, and ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법.Method for producing a gas separation membrane plate module. 제 14 항에 있어서,The method of claim 14, 상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고,The cermet is a composite of an ion conductive electrolyte material and one selected from nickel, nickel alloys, and iron-based alloys, 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,The ion conductive electrolyte material is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScZ), gadolinium implanted ceria (Gd doped-ceria (GDC), samarium implanted 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 , 상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인,The ion conductive electrolyte material included in the cermet is the same material as the gas separation membrane, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법.Method for producing a gas separation membrane plate module. 제 14 항에 있어서, The method of claim 14, 상기 전자전도성 금속산화물은, 스트론튬 타이타늄 페라이트(SrTi1-xFexO3-δ, STF), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 코발타이트(Lanthanum strontium Cobatite, LSC), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 망간 페라이트 (MnFe2O4), 및 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는 하나 이상이고, The electron conductive metal oxide may include strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3-δ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium manganite (LSM), and lanthanum strontium manganite. cobalt tight (lanthanum strontium Cobatite, LSC), lanthanum strontium chromite (lanthanum strontium chromite, LSCr), lanthanum strontium cobalt ferrite (lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) , manganese ferrite (MnFe 2 O 4), and nickel ferrite (NiFe 2 O 4 ) is one or more selected from, 상기 이온전도성 전해질 재료-전자전도성 금속산화물 복합체는, 이온전도성 전해질 재료와 상기 전자전도성 금속산화물로 구성되고, 상기 복합체에서 상기 이온전도성 전해질 재료의 부피비는 20 내지 80%이며,The ion conductive electrolyte material-electroconductive metal oxide composite is composed of an ion conductive electrolyte material and the electron conductive metal oxide, and the volume ratio of the ion conductive electrolyte material in the composite is 20 to 80%, 상기 이온전도성 전해질 재료는, 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리니아 주입 세리아(gadolinia doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아 (Smaria doped-Ceria), 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates) SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상이고,The ion conductive electrolyte materials include yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SCSZ), gadolinia doped-ceria (GDC), samarium injection ceria. (Smaria 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 상기 복합체에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인,The ion conductive electrolyte material included in the composite is the same material as the gas separation membrane, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법.Method for producing a gas separation membrane plate module. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 11 to 13, 상기 기체분리막은 두께가 50 내지 500μm인 수소분리막 또는 산소분리막이고,The gas separation membrane is a hydrogen separation membrane or oxygen separation membrane having a thickness of 50 to 500μm, 상기 산소분리막은 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 란타늄갈레이트 (Lanthanum gallates) 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지고,The oxygen separation membrane is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (SCSZ), gadolinium injection ceria (Gd doped-ceria (GDC), samarium injection ceria (Sm doped-Ceria) ), And lanthanum gallates; 상기 수소분리막은 SrCeO3, BaCeO3, BaZrO3, CaZrO3, SrZrO3, La2Zr2O7, 및 La2Ce2O7 중에서 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어지는, The hydrogen separation membrane is made of one or more materials selected from SrCeO 3 , BaCeO 3 , BaZrO 3 , CaZrO 3 , SrZrO 3 , La 2 Zr 2 O 7 , and La 2 Ce 2 O 7 , 기체분리막 판형 모듈의 제조방법.Method for producing a gas separation membrane plate module. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 11 to 13, 상기 다공성 전극활성층은 다공성 금속, 다공성 서멧(Cermet), 및 다공성 전자전도성 금속산화물 중에서 선택되고,The porous electrode active layer is selected from a porous metal, porous cermet, and porous electron conductive metal oxide, 상기 다공성 금속은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나인,The porous metal is one selected from nickel, nickel alloys, and iron-based alloys, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법.Method for producing a gas separation membrane plate module. 제 18 항에 있어서, The method of claim 18, 상기 전자전도성 금속산화물은, 스트론튬 타이타늄 페라이트(SrTi1-xFexO3-δ, STF), 란타늄 스트론튬 페라이트(Lanthanum strontium ferrite, LSF), 란타늄 스트론튬 망가나이트(Lanthanum strontium Manganite, LSM), 란타늄 스트론튬 코발타이트(Lanthanum strontium Cobatite, LSC), 란타늄 스트론튬 크로마이트 (Lanthanum strontium Chromite, LSCr), 란타늄 스트론튬 코발트 페라이트(Lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF), 망간 페라이트 (MnFe2O4), 및 니켈 페라이트(NiFe2O4)중에서 선택되는 하나 이상인,The electron conductive metal oxide may include strontium titanium ferrite (SrTi 1-x Fe x O 3-δ , STF), lanthanum strontium ferrite (LSF), lanthanum strontium manganite (LSM), and lanthanum strontium manganite. cobalt tight (lanthanum strontium Cobatite, LSC), lanthanum strontium chromite (lanthanum strontium chromite, LSCr), lanthanum strontium cobalt ferrite (lanthanum strontium cobalt ferrite, LSCF) , manganese ferrite (MnFe 2 O 4), and nickel ferrite (NiFe 2 One or more selected from O 4 ), 기체분리막 판형 모듈의 제조방법.Method for producing a gas separation membrane plate module. 제 18 항에 있어서, The method of claim 18, 상기 서멧은 니켈, 니켈 합금, 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체이고,The cermet is a composite of an ion conductive electrolyte material and one selected from nickel, nickel alloys, and iron-based alloys, 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,The ion conductive electrolyte material is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScZ), gadolinium implanted ceria (Gd doped-ceria (GDC), samarium implanted 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 , 상기 서멧에 포함되는 이온전도성 전해질 재료는, 상기 기체분리막과 동일한 재료인,The ion conductive electrolyte material included in the cermet is the same material as the gas separation membrane, 기체분리막 판형 모듈의 제조방법.Method for producing a gas separation membrane plate module. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 기체분리막 판형 모듈을 경계로 내부 공간이 제 1공간 및 제 2공간으로 나누어지고 탄화수소 개질장치의 제 1공간의 전극 활성층은 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; 및The inner space is divided into a first space and a second space on the basis of the gas separation membrane plate module, and the electrode active layer of the first space of the hydrocarbon reformer is cermet, lanthanum strontium chromit (LSCr) or lanthanum strontium tita Supplying a hydrocarbon-based fuel gas so as to be in contact with the surface of the first space of the reformer while the temperature is maintained at 500 to 900 ° C., selected from lanthanum strontium titanate (LSTi); And 상기 제 1공간 및 상기 제 2공간, 또는 상기 제 1공간에서 합성가스를 수득하는 단계를 포함하는,Obtaining syngas in the first space and the second space, or the first space, 탄화수소 개질방법.Hydrocarbon reforming method. 제 21 항에 있어서, The method of claim 21, 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,The hydrocarbon reforming method may further include supplying air at a pressure of 1 atm to 10 atm so as to contact the other side of the membrane module in the second space of the reformer before the syngas is obtained. Included, 탄화수소 개질방법.Hydrocarbon reforming method. 제 21 항에 있어서,The method of claim 21, 상기 탄화수소는 메탄가스(CH4)이고, 상기 제 1공간에서 수득되는 합성가스는 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)인,The hydrocarbon is methane gas (CH 4 ), the synthesis gas obtained in the first space is hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), 탄화수소 개질방법.Hydrocarbon reforming method. 제 21 항에 있어서,The method of claim 21, 상기 탄화수소는 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)가 혼합된 메탄가스(CH4)이고, The hydrocarbon is methane gas (CH 4 ) mixed with carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), 상기 제 1공간에서 수득되는 합성가스는 일산화탄소(CO)이며,The syngas obtained in the first space is carbon monoxide (CO), 상기 제 2공간에서 수득되는 합성가스는 수소(H2)인,Synthetic gas obtained in the second space is hydrogen (H 2 ), 탄화수소 개질방법.Hydrocarbon reforming method. 제 21 항에 있어서,The method of claim 21, 상기 탄화수소는 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 질소(N2)가 혼합된 가스이고, The hydrocarbon is a gas in which carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O) and nitrogen (N 2 ) are mixed. 상기 제 1공간에서 수득되는 합성가스는 수소(H2), 일산화탄소(CO) 및 암모니아(NH3)이며,Synthesis gas obtained in the first space is hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO) and ammonia (NH 3 ), 상기 제 2공간에서 수득되는 합성가스는 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)인, Syngas obtained in the second space is carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), 탄화수소 개질방법.Hydrocarbon reforming method.
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