KR101785376B1 - Charge and discharge type energy storage system using carbon dioxide and carbon monoxide fuel - Google Patents

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Abstract

이중 원통형 구조의 도입으로 CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스를 완벽하게 밀폐시킴과 더불어, 기상의 CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스를 이용하는 것에 의해 SOFC(solid oxide fuel cell) 반응 및 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 반응에 의한 충방전이 가능하도록 설계된 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치는 일측에 배치된 원통 구조의 캐소드 전극; 상기 일측과 이격된 타측에 배치되며, 상기 캐소드 전극과 연통되는 애노드 전극; 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 배치되어, 상기 캐소드 전극 및 애노드 전극에 연통되는 고체 전해질막; 및 상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 고체 전해질막의 외측을 감싸도록 장착된 밀봉 튜브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The introduction of the double cylindrical structure completely seals at least one of the CO 2 and the CO, as well as the solid oxide fuel cell (SOFC) reaction and the solid (SOEC) reaction by using at least one gas of CO 2 and CO in the gas phase. The present invention relates to a charge / discharge type energy storage device using CO 2 and CO as a fuel, which is designed to be charged / discharged by an oxide electrolyzer cell reaction.
The charge / discharge type energy storage device using CO 2 and CO as the fuel according to the present invention includes a cathode electrode having a cylindrical structure disposed on one side; An anode electrode disposed on the other side of the one side and in communication with the cathode electrode; A solid electrolyte membrane disposed between the cathode electrode and the anode electrode, the solid electrolyte membrane being in communication with the cathode electrode and the anode electrode; And a sealing tube mounted to surround the cathode electrode, the anode electrode, and the outer side of the solid electrolyte membrane.

Description

CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치{CHARGE AND DISCHARGE TYPE ENERGY STORAGE SYSTEM USING CARBON DIOXIDE AND CARBON MONOXIDE FUEL}CHARGE AND DISCHARGE TYPE ENERGY STORAGE SYSTEM USING CARBON DIOXIDE AND CARBON MONOXIDE FUEL,

본 발명은 충방전 방식의 에너지 저장 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중 원통형 구조의 도입으로 CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스를 완벽하게 밀폐시킴과 더불어, 기상의 CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스를 이용하는 것에 의해 고체전해질 막의 이온전도도 특성을 이용한 이온 막반응에 의한 충방전이 가능하도록 설계된 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an energy storage device in the charge and discharge system, and more particularly, one kind of the addition and introduction of a CO 2 and Sikkim completely sealing the at least one gas of the CO of the double cylindrical structure, gas phase CO 2, and CO Discharge type energy storage device using CO 2 and CO as a fuel, which is designed to be capable of charging and discharging by ionic membrane reaction using the ion conductivity characteristic of a solid electrolyte membrane by using the above gas.

메탈-공기 전지는 산화-환원반응의 연료로 고상의 리튬, 아연, 알루미늄을 이용하고, 레독스 흐름 전지는 연료로 수용성 매체를 이용하여 산화-환원반응을 충-방전 시스템으로 이용하고 있다.Metal-air cells use solid-state lithium, zinc, and aluminum as fuel for oxidation-reduction reaction. Redox flow cells use oxidation-reduction reaction as charge-discharge system using water-soluble medium as fuel.

그러나, 종래의 메탈-공기 전지, 레독스 흐름 전지 등의 가역형 전지는 수소를 활용한 SOFC(solid oxide fuel cell)와 수전해의 SOEC(solid oxide electrolyzer cell)의 복합 개념으로, H2O를 사용하거나 발생하는 스팀이 시스템 내부의 온도 구배에 따른 H2O의 응축으로 손실이 있어 충-방전 싸이클이 불가능하다는 단점이 있다.However, the conventional metal-to a complex concept, H 2 O of SOEC (solid oxide electrolyzer cell) of the reversible type battery such as the air cell, a redox flow battery is electrolytic and SOFC (solid oxide fuel cell) utilizing hydrogen There is a disadvantage in that the steam used or generated is lost due to the condensation of H 2 O depending on the temperature gradient inside the system, so that the charge-discharge cycle is impossible.

관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0003828호 (2014.01.10. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 고체산화물 전기분해셀과 고체산화물 연료전지스택을 이용한 하이브리드 발전시스템이 기재되어 있다.
A related prior art is Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0003828 (published on Jan. 10, 2014), which discloses a hybrid power generation system using a solid oxide electrolysis cell and a solid oxide fuel cell stack.

본 발명의 목적은 이중 원통형 구조의 도입으로 CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스를 완벽하게 밀폐시킴과 더불어, 기상의 CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스를 이용하는 것에 의해 고체전해질 막의 이온전도도 특성을 이용한 이온 막반응에 의한 충방전이 가능하도록 설계된 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치를 제공하는 것이다.
It is an object of the present invention to provide a method of producing a solid electrolyte membrane by completely enclosing at least one of CO 2 and CO by introduction of a double cylindrical structure and by using at least one gas of CO 2 and CO in the gas phase Discharge type energy storage device using CO 2 and CO as a fuel, which are designed to be able to charge and discharge by the ion membrane reaction.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치는 일측에 배치된 원통 구조의 캐소드 전극; 상기 일측과 이격된 타측에 배치되며, 상기 캐소드 전극과 연통되는 애노드 전극; 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 배치되어, 상기 캐소드 전극 및 애노드 전극에 연통되는 고체 전해질막; 및 상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 고체 전해질막의 외측을 감싸도록 장착된 밀봉 튜브;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a charge / discharge type energy storage device using CO 2 and CO as a fuel, the device comprising: a cathode electrode having a cylindrical structure disposed on one side; An anode electrode disposed on the other side of the one side and in communication with the cathode electrode; A solid electrolyte membrane disposed between the cathode electrode and the anode electrode, the solid electrolyte membrane being in communication with the cathode electrode and the anode electrode; And a sealing tube mounted to surround the cathode electrode, the anode electrode, and the outer side of the solid electrolyte membrane.

본 발명에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치는 CO2 및 CO 등의 기체 상태의 연료를 이용함과 더불어, 이중 원통형 구조의 도입으로 CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스를 완벽하게 밀봉시키는 것이 가능해짐으로써, SOFC(solid oxide fuel cell) 반응 및 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 반응에 의한 가역성 확보가 가능하여 충방전이 가능하다.Energy storage device of the charge-discharge method using a CO 2 and CO according to the invention the fuel is CO 2 and, with utilizing a fuel of a gas phase such as CO, double the introduction of the cylindrical structure CO 2 and at least one gas of CO It is possible to achieve reversibility by solid oxide fuel cell (SOFC) reaction and solid oxide electrolyzer cell (SOEC) reaction, thus enabling charging and discharging.

또한, 본 발명에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치는 밀봉성이 우수한 쿼츠(qutze), 알루미나(alumina) 등의 재질로 이루어진 밀봉 튜브에 의해 캐소드 전극, 애노드 전극 및 고체 전해질막의 단위 셀을 밀봉할 시, 단위 셀을 적어도 하나 이상 스택하여 사용하더라도 장기 안정성 확보가 가능하며, 기계적 강도 및 집전 효율을 향상시킬 수 있다.
Also, the charge / discharge type energy storage device using CO 2 and CO according to the present invention can be applied to a cathode electrode, an anode electrode, and a cathode electrode by a sealing tube made of quartz or alumina, When the unit cell of the solid electrolyte membrane is sealed, long-term stability can be ensured even if at least one unit cell is stacked, and mechanical strength and current collection efficiency can be improved.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치를 개략적으로 나타낸 구동 모식도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치의 충방전 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치를 나타낸 결합 사시도이다.
도 5는 도 3의 에너지 저장 장치를 나타낸 분해 사시도이다.
도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ＇선을 따라 절단한 면을 나타낸 평면도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a driving schematic diagram schematically illustrating a charge / discharge type energy storage device using CO 2 and CO as a fuel according to an embodiment of the present invention; FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the charging / discharging principle of a charge / discharge type energy storage device using CO 2 and CO as a fuel according to an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view illustrating a charge-discharge type energy storage device using CO 2 and CO as a fuel according to an embodiment of the present invention.
4 is an assembled perspective view illustrating a charge-discharge type energy storage device using CO 2 and CO as a fuel according to an embodiment of the present invention.
5 is an exploded perspective view showing the energy storage device of FIG.
6 is a plan view showing a plane cut along a line VI-VI 'in FIG.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but may be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a charge / discharge type energy storage device using CO 2 and CO as a fuel according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치를 개략적으로 나타낸 구동 모식도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치의 충방전 원리를 설명하기 위한 모식도이다.Figure 1 is a CO 2 and CO according to an exemplary embodiment of a schematic diagram showing a charging and discharging system an energy storage device using a CO 2 and CO as a fuel in accordance with the embodiment of the present invention is driven, Figure 2 is the invention as a fuel FIG. 2 is a schematic view for explaining the charging / discharging principle of the energy storage device using the charge / discharge method.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치(100)는 일측에 배치된 캐소드 전극(110)과, 일측에 반대되는 타측에 배치된 애노드 전극(120)과, 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120) 사이에 개재되는 고체 전해질막(130)을 포함한다.Referring to FIGS. 1 and 2, a charge / discharge type energy storage device 100 using CO 2 and CO as a fuel according to an embodiment of the present invention includes a cathode electrode 110 disposed on one side, An anode electrode 120 disposed on the other side and a solid electrolyte membrane 130 interposed between the cathode electrode 110 and the anode electrode 120.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치(100)는 캐소드 전극(110)에 산소 또는 공기를 공급하기 위한 기체 공급부(140)를 더 포함한다.
In addition, the charge / discharge type energy storage device 100 using CO 2 and CO as the fuel according to the embodiment of the present invention further includes a gas supply unit 140 for supplying oxygen or air to the cathode electrode 110 .

전술한 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치(100)의 구동 원리를 살펴보면, CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스를 연료로 공급함과 더불어, 기체 공급부(140)로부터 캐소드 전극(110)에 산소 또는 공기를 공급하는 것에 의해 SOFC(solid oxide fuel cell) 반응과 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 반응이 가역적으로 이루어진다. 이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치(100)는 충방전이 가능하여 대용량의 에너지를 저장할 수 있게 된다.
Looking at the CO 2 and the drive principle of the charge and discharge system of the energy storage device 100 using a CO to the fuel according to an embodiment of the present invention having the aforementioned configuration, supplying the CO 2 and CO at least one kind of gas as a fuel and The solid oxide fuel cell (SOFC) reaction and the solid oxide electrolyzer cell (SOEC) reaction are reversibly performed by supplying oxygen or air from the gas supply unit 140 to the cathode electrode 110. As a result, the charge / discharge type energy storage device 100 using CO 2 and CO as the fuel according to the embodiment of the present invention can store a large amount of energy because it can be charged and discharged.

이때, 애노드 전극(120) 측에서는 하기 식 1에 따른 SOFC(solid oxide fuel cell) 반응을 한다.At this time, a solid oxide fuel cell (SOFC) reaction according to the following formula 1 is performed on the anode electrode 120 side.

식 1 : 2CO + O2 → 2CO2
Equation 1: 2CO + O 2 → 2CO 2

그리고, 캐소드 전극(110) 측에서는 하기 식 2에 따른 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 반응을 한다.On the cathode electrode 110 side, a solid oxide electrolyzer cell (SOEC) reaction according to the following formula 2 is performed.

식 2 : 2CO2 → 2CO + O2
Equation 2: 2CO 2 → 2CO + O 2

즉, 애노드 전극(120) 측에서 생성된 전자(e-)는 외부회로(10)를 통해서 캐소드 전극(110)으로 전달되고, 동시에 캐소드 전극(110)에서 발생한 산소 이온(O2 -)은 고체 전해질막(130)을 통해서 애노드 전극(120)으로 전달된다.That is, the electrons e - generated at the anode electrode 120 side are transmitted to the cathode electrode 110 through the external circuit 10 and at the same time the oxygen ions O 2 - And is transmitted to the anode electrode 120 through the electrolyte membrane 130.

또한, 애노드 전극(120)에서는 CO가 산소 이온(O2 -)과 결합되어 전자(e-) 및 CO2가 생성된다. 결국, 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치(100)는 CO2 및 CO 중 1종 이상이 애노드 전극(120)에 공급되고, 산소가 캐소드 전극(110)에 공급되어 최종적으로 이산화탄소(CO2) 생성되는 것을 알 수 있다.
In the anode electrode 120, CO is combined with oxygen ions (O 2 - ) to generate electrons (e - ) and CO 2 . As a result, in the charge / discharge type energy storage device 100 using CO 2 and CO as the fuel according to the embodiment of the present invention, at least one of CO 2 and CO is supplied to the anode electrode 120, (CO 2 ) is finally produced by supplying the carbon dioxide (CO 2 )

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치에 대하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, a charge-discharge type energy storage device using CO 2 and CO as a fuel according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치를 나타낸 단면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치를 나타낸 결합 사시도이다. 또한, 도 5는 도 3의 에너지 저장 장치를 나타낸 분해 사시도이고, 도 6은 도 5의 Ⅵ-Ⅵ＇선을 따라 절단한 면을 나타낸 평면도이다.Figure 3 is a sectional view of the energy storage device of the charge-discharge method using a CO 2 and CO as a fuel in accordance with an embodiment of the invention, Figure 4 is charged and discharged with the CO 2 and CO according to the embodiment of the present invention as a fuel Type energy storage device. FIG. 5 is an exploded perspective view showing the energy storage device of FIG. 3, and FIG. 6 is a plan view showing a plane cut along the line VI-VI 'of FIG.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치(100)는 캐소드 전극(110), 애노드 전극(120), 고체 전해질막(130) 및 밀봉 튜브(150)를 포함한다.
3 and FIG. 6, a charge / discharge type energy storage device 100 using CO 2 and CO as a fuel according to an embodiment of the present invention includes a cathode electrode 110, an anode electrode 120, a solid electrolyte membrane (130) and a sealing tube (150).

캐소드 전극(110)은 일측에 배치되며, 원통 구조를 갖는다. 이에 따라, 캐소드 전극(110)은 CO2 및 CO 중 1종 이상의 연료가 통과하는 제1 중공(H1)을 갖는 원통형 구조로 이루어진다.The cathode electrode 110 is disposed on one side and has a cylindrical structure. Accordingly, the cathode electrode 110 has a cylindrical structure having a first hollow H1 through which at least one of CO 2 and CO passes.

이러한 캐소드 전극(110)은 백금, 니켈, 팔라듐, 은, 란타늄, 페로브스카이트계 산화물, 이트륨 또는 스칸듐이 도핑된 지르코니아, 가돌리늄(gadolinium), 사마륨(samarium), 란타늄(lanthanium), 이테르븀(ytterbium) 및 네오디뮴(neodymium) 중 1종 이상이 도핑된 세리아를 포함하는 산소이온 전도체, 제올라이트, 란타늄 또는 칼슘이 도핑된 스트론튬 망간 산화물(LSM), 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 산화니켈(NiO), 텅스텐 카바이드, Pd, Pd-Ag 합금 및 V 중 1종 이상을 포함하는 수소이온 전도성 금속 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며 당해 기술 분야에서 사용될 수 있는 전극 재료라면 모두 사용 가능하다.
The cathode 110 may be formed of a metal such as platinum, nickel, palladium, silver, lanthanum, perovskite oxide, yttrium or scandium-doped zirconia, gadolinium, samarium, lanthanium, ytterbium, Zirconium, lanthanum or calcium-doped strontium manganese oxide (LSM), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), nickel oxide (NiO), and nickel oxide (NiO), which are doped with at least one of ceria and neodymium, Tungsten carbide, Pd, a Pd-Ag alloy, and a hydrogen-ion conductive metal including at least one of V, but is not limited thereto, and an electrode material that can be used in the related art All available.

애노드 전극(120)은 일측과 이격된 타측에 배치된다. 이러한 애노드 전극(120)은 캐소드 전극(110)과 동일한 원통 구조를 가지며, 캐소드 전극(110)과 연통된다. 이에 따라, 애노드 전극(120)은, 캐소드 전극(110)과 마찬가지로, CO2 및 CO 중 1종 이상의 연료가 통과하는 제1 중공(H1)을 갖는 원통형 구조로 이루어진다.The anode electrode 120 is disposed on the other side away from the one side. The anode electrode 120 has the same cylindrical structure as the cathode electrode 110 and communicates with the cathode electrode 110. Accordingly, the anode electrode 120, like the cathode electrode 110, has a cylindrical structure having a first hollow H1 through which at least one of CO 2 and CO flows.

이때, 본 발명에 따른 애노드 전극(120)은 종래에 활용하던 니켈계 전극을 사용할 수 없으며, 이에 따라 비 니켈계 전극을 이용하거나, 페로브스카이트계 또는 플루오라이트계 산화물 전극을 이용하는 것이 바람직하다.At this time, the anode electrode 120 according to the present invention can not use the nickel-based electrode conventionally used. Accordingly, it is preferable to use a non-nickel-based electrode or a perovskite-type or fluorite-based oxide electrode.

보다 구체적으로, 애노드 전극(120)은 백금, 팔라듐, 은, 란타늄, 페로브스카이트계 산화물, 플루오라이트계 산화물, 이트륨 또는 스칸듐이 도핑된 지르코니아, 가돌리늄(gadolinium), 사마륨(samarium), 란타늄(lanthanium), 이테르븀(ytterbium) 및 네오디뮴(neodymium) 중 1종 이상이 도핑된 세리아를 포함하는 산소이온 전도체, 제올라이트, 란타늄 또는 칼슘이 도핑된 스트론튬 망간 산화물(LSM), 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 텅스텐 카바이드, Pd, Pd-Ag 합금 및 V 중 1종 이상을 포함하는 수소이온 전도성 금속 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며 당해 기술 분야에서 사용될 수 있는 전극 재료라면 모두 사용 가능하다.
More specifically, the anode electrode 120 may be formed of a material selected from the group consisting of platinum, palladium, silver, lanthanum, perovskite-based oxides, fluorite-based oxides, yttrium or scandium-doped zirconia, gadolinium, samarium, lanthanium Zirconium, lanthanum or calcium-doped strontium manganese oxide (LSM), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), and the like. Tungsten carbide, Pd, a Pd-Ag alloy, and a hydrogen-ion conductive metal including at least one of V, but is not limited thereto, and an electrode material that can be used in the related art All available.

고체 전해질막(130)은 캐소드 전극(110)과 애노드 전극(120) 사이에 배치된다. 이러한 고체 전해질막(130)은 캐소드 전극(110) 및 애노드 전극(120)과 동일한 원통 구조를 가지며, 캐소드 전극(110) 및 애노드 전극(120)에 각각 연통된다. 이에 따라, 고체 전해질막(130)은, 캐소드 전극(110) 및 애노드 전극(120)과 마찬가지로, CO2 및 CO 중 1종 이상의 연료가 통과하는 제1 중공(H1)을 갖는 원통형 구조로 이루어진다.The solid electrolyte membrane 130 is disposed between the cathode electrode 110 and the anode electrode 120. The solid electrolyte membrane 130 has the same cylindrical structure as the cathode electrode 110 and the anode electrode 120 and communicates with the cathode electrode 110 and the anode electrode 120, respectively. Accordingly, the solid electrolyte membrane 130 has a cylindrical structure having a first hollow H1 through which at least one of CO 2 and CO passes, like the cathode electrode 110 and the anode electrode 120.

이러한 고체 전해질막(130)은 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(110)의 외측으로 돌출 형성될 수 있다. 즉, 고체 전해질막(130)의 외경이 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(110)의 외경보다 크게 형성되는 것에 의해 고체 전해질막(130)이 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(110)의 외측으로 돌출되는 구조를 가질 수 있다. 이때, 애노드 전극(120)의 외경은 캐소드 전극(110)의 외경 보다 작은 크기를 가질 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The solid electrolyte membrane 130 may protrude outward from the anode electrode 120 and the cathode electrode 110. That is, since the solid electrolyte membrane 130 is formed to have an outer diameter larger than the outer diameter of the anode electrode 120 and the cathode electrode 110, the solid electrolyte membrane 130 is formed on the outer side of the anode electrode 120 and the cathode electrode 110 As shown in FIG. At this time, the outer diameter of the anode electrode 120 may be smaller than the outer diameter of the cathode electrode 110, but is not limited thereto.

이때, 고체 전해질막(130)은 탄화수소계 고분자, 불소계 고분자, 이트리아 안정화 지르코니아, (La, Sr)(Ga, Mg)O3, Ba(Zr,Y)O3, GDC(Gd doped CeO2), YDC(Y2O3 doped CeO3), YSZ(Yttrium stabilized zirconia), 스칸디움 안정화 지르코니아(ScSZ(Scandium stabilized zirconia)) 등이 이용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
The solid electrolyte membrane 130 may be formed of a hydrocarbon polymer, a fluorine-based polymer, yttria stabilized zirconia, (La, Sr) (Ga, Mg) O 3 , Ba (Zr, Y) O 3 , GDC (Gd doped CeO 2 ) Y 2 O 3 doped CeO 3 , YSZ (Yttrium stabilized zirconia), Scandium stabilized zirconia (ScSZ), etc. However, the present invention is not limited thereto.

밀봉 튜브(150)는 캐소드 전극(110), 애노드 전극(120) 및 고체 전해질막(130)의 외측을 감싸도록 장착된다. 이러한 밀봉 튜브(150)는 제1 중공(H1)의 외측에 배치되는 제2 중공(H2)을 갖는다. 이때, 제2 중공(H2)의 내부로는 기체 공급부(도 1의 140)로부터 공급되는 산소 또는 공기가 공급된다.The sealing tube 150 is mounted so as to surround the outside of the cathode electrode 110, the anode electrode 120, and the solid electrolyte membrane 130. The sealing tube 150 has a second hollow H2 disposed outside the first hollow H1. At this time, oxygen or air supplied from the gas supply unit (140 in FIG. 1) is supplied into the second hollow (H2).

이와 같이, 캐소드 전극(110), 애노드 전극(120) 및 고체 전해질막(130)의 단위 셀을 밀봉 튜브(150)에 의해 밀봉하는 것에 의해, 단위 셀을 적어도 하나 이상 스택하여 사용하더라도 장기 안정성 확보가 가능하며, 기계적 강도 및 집전 효율을 향상시킬 수 있게 된다. 이러한 밀봉 튜브(150)는 고온에서의 내열성이 우수하면서 밀봉성이 뛰어난 재질로 형성하는 것이 바람직하며, 구체적으로는 쿼츠(qutze), 알루미나(alumina) 등의 재질을 이용하는 것이 좋다.
By sealing the unit cells of the cathode electrode 110, the anode electrode 120 and the solid electrolyte membrane 130 with the sealing tube 150, even if at least one unit cell is stacked, And the mechanical strength and the current collection efficiency can be improved. It is preferable that the sealing tube 150 is formed of a material having excellent heat resistance at a high temperature and a high sealing property. Specifically, it is preferable to use a material such as quartz or alumina.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치(100)는 전류 집전체(160), 제1 및 제2 실링 부재(170, 172), 산소 측정 센서(180) 및 촉매 분말(190)를 더 포함한다.
The charge / discharge type energy storage device 100 using CO 2 and CO as the fuel according to the embodiment of the present invention includes the current collector 160, the first and second sealing members 170 and 172, A sensor 180 and a catalyst powder 190. [

전류 집전체(160)는 애노드 전극(120)의 내측에 형성된다. 이러한 전류 집전체(160)는, 애노드 전극(120)과 마찬가지로, CO2 및 CO 중 1종 이상의 연료가 통과하는 제1 중공(H1)을 갖는 원통형 구조로 이루어진다.
The current collector 160 is formed inside the anode electrode 120. This current collector 160 has a cylindrical structure having a first hollow H1 through which at least one of CO 2 and CO flows, as in the case of the anode electrode 120.

제1 실링 부재(170)는 밀봉 튜브(150)의 일측 가장자리를 따라 배치되어, 밀봉 튜브(150)의 일측과 고체 전해질막(130)을 실링하는 역할을 한다. 그리고, 제2 실링 부재(172)는 밀봉 튜브(150)의 타측 가장자리를 따라 배치되어, 밀봉 튜브(150)의 타측과 산소 측정 센서(180)를 실링하는 역할을 한다.The first sealing member 170 is disposed along one side edge of the sealing tube 150 to seal the one side of the sealing tube 150 and the solid electrolyte membrane 130. The second sealing member 172 is disposed along the other side edge of the sealing tube 150 and functions to seal the other side of the sealing tube 150 and the oxygen measuring sensor 180.

이때, 제1 및 제2 실링 부재(170, 172) 각각은 글래스 프릿 재질을 이용하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
At this time, each of the first and second sealing members 170 and 172 preferably uses a glass frit material, but is not limited thereto.

산소 측정 센서(180)는 밀봉 튜브(150)의 타측에 장착된다. 이러한 산소 측정 센서(180)는 밀봉 튜브(150) 내부의 산소 함량을 측정하여 일정량으로 유지시키는 역할을 한다.
The oxygen measurement sensor 180 is mounted on the other side of the sealing tube 150. The oxygen measurement sensor 180 measures the oxygen content in the sealing tube 150 and maintains a predetermined amount of oxygen.

촉매 분말(190)은 제2 중공(H2)의 내부에 삽입 배치된다. 이러한 촉매 분말(190)은 제2 중공(H2)의 내부에 삽입 배치되어, 산소(O2)의 이온화 속도를 증가시키기 위한 목적으로 첨가하게 된다.The catalyst powder 190 is inserted and disposed inside the second hollow H2. This catalyst powder 190 is disposed into the interior of the second hollow (H2), is added in order to increase the ionization rate of the oxygen (O 2).

이때, 촉매 분말(190)로는 카본(C), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)를 포함하는 금속 촉매와, 란탄, 망간, 철, 구리, 니켈, 세리아, 지르코늄, 니오븀 및 코발트 1종 이상의 금속 산화물 촉매 중 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며 당해 기술분야에서 사용될 수 있는 것이라면 모두 사용 가능하다. 이때, 금속 산화물 촉매는 구체적으로는 La1 -xSrxMnO3(0<x<1), La1 -xSrxCoO3(0<x<1) 및 La1 - xSrxCoyFe1 -yO3(0<x<1, 0<y<1) 등을 포함할 수 있다.
The catalyst powder 190 may be at least one selected from the group consisting of carbon C, platinum Pt, gold Au, silver ruthenium Ru, nickel Ni, palladium Pd, cobalt Co, Ti and vanadium and at least one metal oxide catalyst selected from the group consisting of lanthanum, manganese, iron, copper, nickel, ceria, zirconium, niobium and cobalt. And is usable as long as it can be used in the technical field. At this time, the metal oxide catalysts are specifically La 1 -x Sr x MnO 3 ( 0 <x <1), La 1 -x Sr x CoO 3 (0 <x <1) , and La 1 - x Sr x Co y Fe 1- y O 3 (0 <x <1, 0 <y <1), and the like.

전술한 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치는 CO2 및 CO 등의 기체 상태의 연료를 이용함과 더불어, 이중 원통형 구조의 도입으로 CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스를 완벽하게 밀봉시키는 것이 가능해짐으로써, SOFC(solid oxide fuel cell) 반응 및 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 반응에 의한 가역성 확보가 가능하여 충방전이 가능하다.Energy storage device of the charge-discharge method using a CO 2 and CO according to the above-described embodiments of the present invention as a fuel is the introduction of a double cylindrical structure, with utilizing a fuel of a gas phase, such as CO 2 and CO CO 2 and CO (Solid oxide fuel cell) reaction and SOEC (solid oxide electrolyzer cell) reaction, it is possible to charge and discharge the gas.

즉, 종래의 가역형 전지는 수소를 활용한 SOFC(solid oxide fuel cell)와 수전해의 SOEC(solid oxide electrolyzer cell)의 복합 개념으로, H2O를 사용하거나 발생하는 스팀이 시스템 내부의 온도 구배에 따른 H2O의 응축으로 손실이 있어 충-방전 싸이클이 불가능하다는 단점이 있었으나, 본 발명의 경우에는 이중 원통형 구조의 도입으로 CO2 및 CO 중 1종 이상의 가스를 완벽하게 밀폐시키는 것이 가능할 뿐만 아니라, CO2 및 CO 등의 기체 상태의 연료를 이용하기 때문에 온도 구배에 의해 CO2 및 CO가 응축되어 손실될 염려가 없으므로 가역성이 매우 우수하다.That is, the conventional reversible cell is a composite concept of a solid oxide fuel cell (SOFC) using a hydrogen and a solid oxide electrolyzer cell (SOEC) using an electrolytic solution, and the use of H 2 O, Discharge cycles due to the condensation of H 2 O depending on the concentration of H 2 O. However, in the case of the present invention, it is possible to completely seal at least one of CO 2 and CO by introduction of a double cylindrical structure However, since the gaseous fuel such as CO 2 and CO is used, there is no fear that CO 2 and CO are condensed and lost due to the temperature gradient, and thus the reversibility is excellent.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치는 밀봉성이 우수한 쿼츠(qutze), 알루미나(alumina) 등의 재질로 이루어진 밀봉 튜브에 의해 캐소드 전극, 애노드 전극 및 고체 전해질의 단위 셀을 밀봉할 시, 단위 셀을 적어도 하나 이상 스택하여 사용하더라도 장기 안정성 확보가 가능하며, 기계적 강도 및 집전 효율을 향상시킬 수 있다.
In addition, the charge / discharge type energy storage device using CO 2 and CO as the fuel according to the embodiment of the present invention can be applied to a cathode electrode, a cathode electrode, and a cathode electrode by a sealing tube made of quartz or alumina, When the unit cells of the anode electrode and the solid electrolyte are sealed, even if at least one unit cell is stacked, long-term stability can be ensured, and mechanical strength and current collection efficiency can be improved.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. These changes and modifications may be made without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the scope of the present invention should be determined by the following claims.

100 : 에너지 저장 장치 110 : 캐소드 전극
120 : 애노드 전극 130 : 고체 전해질막
140 : 기체 공급부 150 : 밀봉 튜브
160 : 전류 집전체 170 : 제1 실링 부재
172 : 제2 실링 부재 180 : 산소 측정 센서
190 : 촉매 분말 H1 : 제1 중공
H2 : 제2 중공100: Energy storage device 110: cathode electrode
120: anode electrode 130: solid electrolyte membrane
140: gas supply part 150: sealing tube
160: current collector 170: first sealing member
172: second sealing member 180: oxygen measuring sensor
190: catalyst powder H1: first hollow
H2: Second hollow

Claims (15)

일측에 배치된 원통 구조의 캐소드 전극;
상기 일측과 이격된 타측에 배치되며, 상기 캐소드 전극과 연통되는 애노드 전극;
상기 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 배치되어, 상기 캐소드 전극 및 애노드 전극에 연통되는 고체 전해질막;
상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 고체 전해질막과 이격 배치되어, 상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 고체 전해질막의 외측을 감싸도록 장착된 밀봉 튜브; 및
상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 고체 전해질막과 밀봉 튜브 간의 이격된 사이 공간에 삽입된 촉매 분말;을 포함하며,
상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 고체 전해질막 각각은 CO2 및 CO 중 1종 이상의 연료가 통과하는 제1 중공을 갖는 원통형 구조를 갖고, 상기 밀봉 튜브는 이중 원통형 구조를 갖도록 상기 제1 중공과 이격된 외측에 배치되는 제2 중공을 갖는 것을 특징으로 하는 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치.
A cathode electrode having a cylindrical structure disposed on one side;
An anode electrode disposed on the other side of the one side and in communication with the cathode electrode;
A solid electrolyte membrane disposed between the cathode electrode and the anode electrode, the solid electrolyte membrane being in communication with the cathode electrode and the anode electrode;
A sealing tube disposed so as to surround the cathode electrode, the anode electrode, and the solid electrolyte film, the cathode tube, the anode electrode, and the solid electrolyte film; And
And a catalyst powder inserted in the space between the cathode electrode, the anode electrode, and the space between the solid electrolyte membrane and the sealing tube,
Wherein each of the cathode electrode, the anode electrode, and the solid electrolyte membrane has a cylindrical structure having a first hollow through which at least one of CO 2 and CO passes, the sealing tube having a double cylindrical structure, the CO 2 and CO 2 outside the energy storage device in the charge and discharge system that employs a fuel, characterized in that with a hollow is disposed.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 애노드 전극의 외경은
상기 캐소드 전극의 외경 보다 작은 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치.
The method according to claim 1,
The outer diameter of the anode electrode
Energy storage device of the charge-discharge method using a CO 2 and CO, characterized in that having a size smaller than the outer diameter of the cathode in the fuel.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 애노드 전극은
백금, 팔라듐, 은, 란타늄, 페로브스카이트계 산화물, 플루오라이트계 산화물, 이트륨 또는 스칸듐이 도핑된 지르코니아, 가돌리늄(gadolinium), 사마륨(samarium), 란타늄(lanthanium), 이테르븀(ytterbium) 및 네오디뮴(neodymium) 중 1종 이상이 도핑된 세리아를 포함하는 산소이온 전도체, 제올라이트, 란타늄 또는 칼슘이 도핑된 스트론튬 망간 산화물(LSM), 란타늄 스트론튬 코발트 철 산화물(LSCF), 텅스텐 카바이드, Pd, Pd-Ag 합금 및 V 중 1종 이상을 포함하는 수소이온 전도성 금속 중 선택된 1종 이상으로 형성된 것을 특징으로 하는 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치.
The method according to claim 1,
The anode electrode
But are not limited to, platinum, palladium, silver, lanthanum, perovskite based oxides, fluorite based oxides, yttrium or scandium doped zirconia, gadolinium, samarium, lanthanium, ytterbium and neodymium Zirconium, lanthanum or calcium-doped strontium manganese oxide (LSM), lanthanum strontium cobalt iron oxide (LSCF), tungsten carbide, Pd, Pd-Ag alloy and proton conductive CO 2 and CO the energy storage device in the charge and discharge system that employs a fuel, characterized in that formed in at least one selected from a metal containing at least one kind of V.
제1항에 있어서,
상기 에너지 저장 장치는
상기 캐소드 전극에 산소 또는 공기를 공급하기 위한 기체 공급부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치.
The method according to claim 1,
The energy storage device
Further comprising a gas supply unit for supplying oxygen or air to the cathode electrode. The charge / discharge type energy storage apparatus using CO 2 and CO as a fuel.
제6항에 있어서,
상기 기체 공급부는
상기 제2 중공의 내부로 산소 또는 공기를 공급하는 것을 특징으로 하는 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치.
The method according to claim 6,
The gas supply unit
Energy storage device of the charge-discharge method using a CO 2 and CO, characterized in that for supplying oxygen or air to the interior of said second hollow fuel.
제1항에 있어서,
상기 애노드 전극 측에서는
하기 식 1에 따른 SOFC(solid oxide fuel cell) 반응을 하는 것을 특징으로 하는 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치.

식 1 : 2CO + O2 → 2CO2
The method according to claim 1,
On the anode electrode side
A solid-state fuel cell (SOFC) reaction according to the following formula (1) is carried out, and a charge-discharge type energy storage device using CO 2 and CO as fuel.

Equation 1: 2CO + O 2 → 2CO 2
제1항에 있어서,
상기 캐소드 전극 측에서는
하기 식 2에 따른 SOEC(solid oxide electrolyzer cell) 반응을 하는 것을 특징으로 하는 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치.

식 2 : 2CO2 → 2CO + O2
The method according to claim 1,
On the cathode electrode side
A solid oxide electrolyzer cell (SOEC) reaction according to the following formula (2) is carried out, and a charge / discharge type energy storage device using CO 2 and CO as fuel.

Equation 2: 2CO 2 → 2CO + O 2
제1항에 있어서,
상기 고체 전해질막은
상기 애노드 전극 및 캐소드 전극의 외측으로 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치.
The method according to claim 1,
The solid electrolyte membrane
Energy storage device of the anode electrode and the cathode charged and discharged with the CO 2 and CO, characterized in that protruding from the outside of the fuel electrode system.
제10항에 있어서,
상기 에너지 저장 장치는
상기 애노드 전극의 내측에 형성된 전류 집전체와,
상기 밀봉 튜브의 일측 가장자리를 따라 배치되어, 상기 밀봉 튜브의 일측과 고체 전해질막을 실링하기 위한 제1 실링 부재와,
상기 밀봉 튜브의 타측에 장착된 산소 측정 센서와,
상기 밀봉 튜브의 타측 가장자리를 따라 배치되어, 상기 밀봉 튜브의 타측과 산소 측정 센서를 실링하기 위한 제2 실링 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치.
11. The method of claim 10,
The energy storage device
A current collector formed inside the anode electrode,
A first sealing member disposed along one side edge of the sealing tube for sealing the one side of the sealing tube and the solid electrolyte membrane,
An oxygen measurement sensor mounted on the other side of the sealing tube,
Is disposed along the other side edge of the sealing tube, and the second energy storage of charging and discharging method using the CO 2 and CO, it characterized in that it further comprises a sealing member as a fuel for sealing the other side and the oxygen sensor of the sealing tube Device.
제11항에 있어서,
상기 제1 및 제2 실링 부재 각각은
글래스 프릿 재질이 이용되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치.
12. The method of claim 11,
Each of the first and second sealing members
Energy storage device of the glass frit material is used for CO 2 and CO, characterized in that it characterized in that the fuel used in the charge and discharge system.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 촉매 분말은
카본(C), 백금(Pt), 금(Au), 은(Ag), 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 코발트(Co), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)를 포함하는 금속 촉매와, 란탄, 망간, 철, 구리, 니켈, 세리아, 지르코늄, 니오븀 및 코발트 1종 이상의 금속 산화물 촉매 중 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치.
The method according to claim 1,
The catalyst powder
(C), platinum (Pt), gold (Au), silver (Ag), ruthenium (Ru), nickel (Ni), palladium (Pd), cobalt using CO 2 and CO, it characterized in that it comprises a metal-containing catalyst and, lanthanum, manganese, iron, copper, nickel, ceria, zirconium, niobium, and cobalt, at least one selected from at least one metal oxide catalyst for the fuel charge Discharge type energy storage device.
제1항에 있어서,
상기 밀봉 튜브는
쿼츠(qutze) 또는 알루미나(alumina) 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 CO2 및 CO를 연료로 이용한 충방전 방식의 에너지 저장 장치.The method according to claim 1,
The sealing tube
Quartz (qutze) or alumina (alumina) CO 2 and energy storage device of the charge-discharge method using CO as a fuel, characterized in that formed in the material.
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KR20170012748A (en) 2017-02-03

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