KR101353662B1 - 고체산화물 전기분해전지용 단위셀 및 이를 포함하는 고체산화물 전기분해전지용 스택 - Google Patents

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Abstract

캐소드 및 애노드, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 형성된 전해질층, 상기 캐소드 위에 형성된 가스유로, 및 상기 가스유로 내부에 형성된 하나 또는 복수의 기체분리막에 의해 구획되는 기체 통로를 포함하는 고체산화물 전기분해전지용 단위셀, 상기 단위셀 복수 개가 적층하여 형성된 고체산화물 전기분해전지용 스택이 제공된다.
본 발명에 따르면, SOEC의 전극에 기체분리막을 설치하여 전기반응에 의해 형성된 기체를 분리함으로써 전기화학반응부의 상기 기체의 농도를 감소시키고 전기분해반응의 화학평형을 이동시켜 목적하는 기체의 생산 효율을 증대시킬 수 있다.

Description

고체산화물 전기분해전지용 단위셀 및 이를 포함하는 고체산화물 전기분해전지용 스택{UNIT CELL FOR SOLID OXIDE ELECTROLYSIS CELL AND STACK FOR SOLID OXIDE ELECTROLYSIS CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 고체산화물 전기분해전지용 단위셀 및 이를 포함하는 고체산화물 전기분해전지용 스택에 관한 것이다.
SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell)란 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)를 전기분해 장치로 사용하기 위해 역으로 재생시켜 물을 분해하여 산소와 수소를 얻는 장치를 지칭한다. 장치의 구성은 고체산화물 연료전지와 동일한 구성을 갖고 있으며 각각은 고체 전해질, 애노드, 캐소드로 구성되어 있다. 생산된 수소와 산소는 적절히 활용될 수 있으며 특히 수소를 저장하여 에너지 저장 기술로 활용하려는 시도가 높다.
SOEC에 사용되는 SOFC 스택에는 원통형 셀을 적용한 스택과 평판형 셀을 적용한 스택이 있다. SOEC에서는 캐소드에 공급된 고온의 수증기(H2O)가 외부회로를 통해 공급된 전자(e-)와 결합하여 산소이온(O2 -)과 수소기체(H2)로 분리되는 전기화학반응을 통해 수소를 생산하며, 산소이온은 전해질을 통해 애노드로 이동하여 전자와 산소기체(O2)로 분리된다.
전지내의 각 구성에서의 화학반응은 도 9를 통해 확인할 수 있다.
종래의 SOEC 기술에서는 캐소드에서 생산되는 수소의 양이 하기 식 1의 화학평형 방정식에 의해서 결정된다.
Figure 112011104257072-pat00001
Figure 112011104257072-pat00002
: 평형상수
Figure 112011104257072-pat00003
: 기체상수
T: 온도
PH2: 수소 분압
αO2 -: 산소이온의 활동도
PH2O: 수증기 분압
αe-: 전자의 활동
따라서 종래의 SOEC 기술에 의하면 주어진 온도에서 평형상수 이상의 농도로 수증기로부터 수소를 생산해낼 수 없었다. 따라서 종래의 기술에서는 고온의 수증기가 일정 부분 미반응 상태로 배출되므로 수소생산 효율 증대에 한계가 있었다.
본 발명의 일 측면은 목적하는 기체의 생산 효율을 증대시킬 수 있는 고체산화물 전기분해전지용 단위셀 및 이를 포함하는 고체산화물 전기분해전지용 스택을 제시하고자 한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은 캐소드 및 애노드, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 형성된 전해질층, 상기 캐소드 위에 형성된 가스유로, 및 상기 가스유로 내부에 형성된 하나 또는 복수의 기체분리막에 의해 구획되는 기체 통로를 포함하는 고체산화물 전기분해전지용 단위셀을 제공한다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 고체산화물 전기분해전지용 단위셀 복수 개가 적층하여 형성된 고체산화물 전기분해전지용 스택을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, SOEC의 전극에 기체분리막을 설치하여 전기반응에 의해 형성된 기체를 분리함으로써 전기화학반응부의 상기 기체의 농도를 감소시키고 전기분해반응의 화학평형을 이동시켜 목적하는 기체의 생산 효율을 증대시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른, SOEC 전극과 가스유로의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, SOEC 전극과 가스유로의 구조도이다.
도 3은 종래기술에 따른, 평판형 SOEC 전극과 가스유로의 구조도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 평판형 SOEC 전극과 가스유로의 구조도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 평판형 SOEC 전극과 가스유로의 구조도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른, 평판형 SOEC 전극과 가스유로의 구조도이다.
도 7은 종래기술에 따른, 원통형 SOEC 전극과 가스유로의 구조도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른, 원통형 SOEC 전극과 가스유로의 구조도이다.
도 9는 일반적인 SOEC 전지내의 각 구성에서의 화학반응 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 고체산화물 전기분해전지용 단위셀 및 이를 포함하는 고체산화물 전기분해전지용 스택에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 일 측면은, 캐소드 및 애노드, 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 형성된 전해질층, 상기 캐소드 위에 형성된 가스유로, 및 상기 가스유로 내부에 형성된 하나 또는 복수의 기체분리막에 의해 구획되는 기체 통로를 포함하는 고체산화물 전기분해전지용 단위셀을 제공한다.
상기 가스유로는 상기 캐소드 위에 바로 형성될 수도 있고, 캐소드와 가스유로 사이에 전자전도층 등의 별도의 구성이 개입될 수도 있다.
도 9를 참조하면서, 전지 내에서 물이 분해되는 경우를 예로 들어보고자 한다.
상기 캐소드에서는 다음과 같은 반응이 진행된다.
H2O + 2e- → H2 + O2 -
상기 전해질층은 산소이온(O2 -)이 캐소드에서 애노드로 이동하는 통로이며, 상기 애노드에서는 다음과 같은 반응이 진행된다.
O2 - → O2 + 2e-
상기 가스유로를 통해서는 수증기(H2O)가 공급되며, 기체분리막이 없는 경우 수소는 미반응 수증기와 함께 가스유로의 배출구로 배출된다. 기체분리막이 있고 가스유로가 관통형인 경우 일부 수소는 기체분리막을 통해 순수한 형태로 배출되며 나머지 수소는 수증기와 함께 가스유로의 배출구로 배출된다. 기체분리막이 있고 가스유로가 폐쇄형인 경우 가스유로에는 일정한 비율의 수소가 수증기와 함께 계속 존재하면서 기체 분리막을 통해 수소가 순수한 형태로 배출된다.
상기 가스유로 내부에는 하나의 기체분리막 또는 여러 개의 기체분리막이 복합적으로 형성될 수 있다.
캐소드에서 물이 전기분해되는 경우에 상기 기체분리막은 생성된 수소(H2)를 분리하는 역할을 한다.
기체분리막이 백금, 팔라듐, 혹은 백금-팔라듐 합금 등 치밀한 금속막인 경우에는 수소가 이들 금속과 고용체를 형성하면서 농도 차에 의해 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러가는 메커니즘을 통해 수소가 분리된다. 기체분리막이 다공성 세라믹스, 제올라이트, 혹은 다공성 세라믹스와 제올라이트 복합막인 경우에는 수소와 수증기의 분자 크기의 차이에 의해서 수소가 분리된다.
캐소드에서 생성되어 기체분리막에 의하여 분리될 수 있는 기체로는 전기분해되는 가스가 무엇인지에 따라 달라질 수도 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 가스유로의 단면 모양이 원형, 타원형, 사각형, 또는 다각형일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기에서 제시한 단면모양은 예시적인 것에 불과하다. 본 발명은 평판형 SOEC뿐만 아니라 원통형 SOEC에도 적용가능하다. 가스유로는 반응가스가 이동하는 통로로서, 평판형 SOEC에서는 주로 사각형의 단면모양을 가진 통로가 많이 사용되고(도 3 내지 도 6), 원통형 SOEC에서는 주로 원형의 단면모양을 가진 통로가 많이 사용된다(도 7 내지 도 8). 그러나, 이에 제한되지 않고 평판형 SOEC이든 원통형 SOEC이든 구분하지 않고 타원형, 반원형, 삼각형, 불규칙적인 형태 등 다양하게 응용할 수 있다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 기체분리막의 단면 모양이 원형, 고리형, 타원형, 사각형, 또는 다각형일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기에서 제시한 단면모양은 예시적인 것에 불과하며 도 4 및 도 5에는 사각형의 단면을 가진 기체분리막이 도시되어 있고, 도 6 및 도 8에는 원형의 단면을 가진 기체분리막이 도시되어 있다. 기체분리막은 캐소드에서 생성된 기체를 흡수하여 가스유로에서 제거하는 역할을 하는 것으로서, 기체와의 접촉면적을 넓히기 위하여 불규칙적으로 구부러질 수도 있고, 링(ring) 형상일 수도 있고, 올록볼록 돌기모양 등 다양하게 응용할 수 있다.
또한, 상기 기체분리막은 복수개가 함께 설치될 수 있다. 복수개가 설치된 경우에는 기체와의 접촉면적이 넓어져서 기체분리 효율이 더욱 증대할 것으로 예상된다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 기체분리막이 상기 가스유로의 일부를 분할하거나, 상기 가스유로의 내측면에 부착하거나, 상기 가스유로의 내측면에 닿지 않은 채 상기 가스유로의 내부에 위치할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 가스유로는 관통형(go-through type) 또는 폐쇄형(dead-end type)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 관통형이란 가스유로의 입출구가 개방된 터널 형태를 말하며, 상기 폐쇄형이란 가스유로의 입출구 중 하나가 폐쇄된 형태를 의미한다.
도 4의 경우는 관통형(go-through type) 가스유로에 있어서, 기체분리막이 가스유로의 내측면에 부착한 형태이며, 도 5는 폐쇄형(dead-end type) 가스유로에 있어서, 기체분리막이 2개 설치되어 가스유로의 내측면에 부착한 형태이며, 도 8의 경우는 원통형 SOEC에서 가스유로의 내부에 기체분리막이 위치한 형태이다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 기체분리막은 다공성 세라믹 물질로 이루어지거나, 또는 다공성 세라믹 물질로 된 지지체 표면이나 내부에 분리 기체 투과 금속이나 제올라이트를 코팅한 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기와 같이 다공성 물질을 기체분리막의 재료로 선택한 이유는 기체의 투과를 고려한 것이다. 기본적으로 가스유로에 기체가 생성되면 농도구배에 의하여 목적하는 기체가 기체분리막을 투과하여 분리될 수 있고, 연료전지의 SOEC 스택에서 가압해 주면 추진력(driving force)이 생겨서 기체의 분리를 촉진할 수 있다.
상기 다공성 세라믹 물질의 예로는 알루미나, 지르코니아, 비정질 실리카, 실리콘 카바이드, 스피넬 등이 있고, 수소 투과 금속으로는 팔라듐, 백금 등이 있다.
본 발명의 다른 측면은 상기 단위셀 복수 개가 적층하여 형성된 고체산화물 전기분해전지용 스택을 제공한다.
11: 애노드 12: 전해질
13: 캐소드 14: 분리막
15: 기체분리막 16: 기체분리막
17: 기체분리막 18: 가스유로
21: 애노드 22: 전해질
23: 캐소드 25: 기체분리막
26: 가스유로

Claims (7)

  1. 캐소드 및 애노드;
    상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 형성된 전해질층;
    상기 캐소드 위에 형성된 가스유로; 및
    상기 가스유로 내부에 형성된 하나 또는 복수의 기체분리막에 의해 구획되는 기체 통로를 포함하는, 고체산화물 전기분해전지용 단위셀.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가스유로의 단면 모양이 원형, 타원형, 사각형, 또는 다각형인 것인, 고체산화물 전기분해전지용 단위셀.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 기체분리막의 단면 모양이 원형, 고리형, 타원형, 사각형, 또는 다각형인 것인, 고체산화물 전기분해전지용 단위셀.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 기체분리막이 상기 가스유로의 일부를 분할하거나, 상기 가스유로의 내측면에 부착하거나, 상기 가스유로의 내측면에 닿지 않은 채 상기 가스유로의 내부에 위치하는 것인, 고체산화물 전기분해전지용 단위셀.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 가스유로는 관통형(go-through type) 또는 폐쇄형(dead-end type)인 것인, 고체산화물 전기분해전지용 단위셀.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 기체분리막은 다공성 세라믹 물질로 이루어지거나, 또는 다공성 세라믹 물질로 된 지지체 표면이나 내부에 분리 기체 투과 금속이나 제올라이트를 코팅한 것인, 고체산화물 전기분해전지용 단위셀.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항의 단위셀이 복수 개로 적층하여 형성된, 고체산화물 전기분해전지용 스택.
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