KR101955694B1 - 이산화탄소를 이용한 수계 이차전지 및 이를 구비하는 복합 전지 시스템 - Google Patents

이산화탄소를 이용한 수계 이차전지 및 이를 구비하는 복합 전지 시스템 Download PDF

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울산과학기술원
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Abstract

본 발명에 의하면, 제1 수용 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 수계 전해질에 함침되는 캐소드를 구비하는 캐소드부; 상기 제1 수용 공간과 연통되는 제2 수용 공간에 수용되는 상기 수계 전해질을 구비하는 이산화탄소 처리부; 제3 수용 공간에 수용되는 전해질과, 상기 전해질에 함침되고 금속을 포함하는 애노드를 구비하는 애노드부; 및 상기 캐소드부와 상기 애노드부 사이에서 상기 금속이 이온화된 금속 이온을 선택적으로 통과시키도록 배치되는 고체 전해질을 포함하며, 상기 이산화탄소 처리부에는 상기 제2 수용 공간에 수용되는 상기 수계 전해질의 수면보다 아래에 위치하고 방전시 이산화탄소 기체가 유입되는 유입구가 형성되며, 상기 제2 수용 공간에서 상기 제1 수용 공간과 연통되도록 형성된 연통구는 상기 유입구보다 아래에 위치하는 수계 이차전지가 제공된다.

Description

이산화탄소를 이용한 수계 이차전지 및 이를 구비하는 복합 전지 시스템 {AQUEOUS SECONDARY BATTERY USING CARBON DIOXIDE AND COMPLEX BATTERY SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 수계 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온실가스인 이산화탄소를 이용하는 수계 이차전지 및 이를 구비하는 복합 전지 시스템을 제공하는 것이다.
최근 산업화와 더불어 온실가스의 배출이 지속적으로 증가하고 있으며, 온실가스 중 이산화탄소가 가장 큰 비중을 차지하고 있다. 산업 유형별 이산화탄소 배출량은 발전소 등 에너지 공급원에서 가장 많고, 발전을 포함한 시멘트/철강/정제 산업 등에서 발생되는 이산화탄소가 전 세계 발생량의 절반을 차지하고 있다. 이산화탄소 전환/활용 분야는 크게 화학적 전환, 생물학적 전환, 직접 활용으로 구분할 수 있으며, 기술적 범주로는 촉매, 전기화학, 바이오공정, 광활용, 무기(탄산)화, 폴리머 등으로 구분지을 수 있다. 이산화탄소는 다양한 산업 및 공정에서 발생되고, 하나의 기술로 이산화탄소 저감을 달성할 수 없기 때문에 이산화탄소 저감을 위한 다양한 접근 방식이 필요하다.
현재 미국 에너지성 DOE(Department Of Energy)는 이산화탄소를 저감하기 위한 기술로 CCS(Carbon Capture & Storage)와 CCU (CC & Utilization)이 복합된 CCUS 기술에 관심을 두고 다각적 기술 개발을 추진 중이다. CCUS 기술은 효과적인 온실가스 감축 방안으로 인정받고 있으나, 고 투자 비용, 유해 포집제의 대기 방출 가능성, 낮은 기술 성숙도의 문제에 직면하고 있다. 또한, 에너지 및 기후 정책적 관점에서 CCUS는 온실가스 배출량을 실질적으로 감축하는 수단을 제공하지만 기술의 실현에 는 보완 사항이 많다. 따라서, 보다 효율적으로 이산화탄소 포집, 저장 및 활용하는 새로운 개념의 한계돌파형(breakthrough) 기술 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 기술분야와 관련된 선행 특허문헌으로서, 공개특허공보 제10-2015-0091834호에는 나트륨 합유 용액 및 나트륨 함유 용액에 함침된 캐소드를 포함하는 액상의 캐소드부; 액상의 유기 전해질, 상기 액상의 유기 전해질에 함침된 애노드 및 상기 애노드 표면에 위치하는 음극 활물질을 포함하는 애노드부; 및 상기 캐소드부와 상기 음국부 사이에 위치하는 고체 전해질 ; 및 상기 캐소드부에 연결되어 방전시 캐소드부에서 발생되는 수소를 외부로 인출하는 수소배출부를 포함하는 이차전지가 기재되어 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0091834호 "이산화탄소 포집 이차전지" (2015.08.12.)
본 발명의 목적은 온실 가스인 이산화탄소를 연료로 사용하는 수계 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 이산화탄소를 연료로 사용하면서 친환경 연료인 수소를 고순도로 함께 생산할 수 있는 수계 이차전지를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이산화탄소를 연료로 사용하면서 탄산수소나트륨을 함께 생산할 수 있는 수계 이차전지를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 수용 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 수계 전해질에 함침되는 캐소드를 구비하는 캐소드부; 상기 제1 수용 공간과 연통되는 제2 수용 공간에 수용되는 상기 수계 전해질을 구비하는 이산화탄소 처리부; 제3 수용 공간에 수용되는 전해질과, 상기 전해질에 함침되고 금속을 포함하는 애노드를 구비하는 애노드부; 및 상기 캐소드부와 상기 애노드부 사이에서 상기 금속이 이온화된 금속 이온을 선택적으로 통과시키도록 배치되는 고체 전해질을 포함하며, 상기 이산화탄소 처리부에는 상기 제2 수용 공간에 수용되는 상기 수계 전해질의 수면보다 아래에 위치하고 방전시 이산화탄소 기체가 유입되는 유입구가 형성되며, 상기 제2 수용 공간에서 상기 제1 수용 공간과 연통되도록 형성된 연통구는 상기 유입구보다 아래에 위치하는 수계 이차전지가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 이산화탄소를 연료로 사용하여 방전하고 방전 과정에서 수소가 발생되는 상기 수계 이차전지; 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 발생시키는 개질기; 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스를 연료로 공급받는 연료전지; 및 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 상기 수계 이차전지로 공급하는 이산화탄소 공급부를 포함하는 복합 전지 시스템이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 이산화탄소를 연료로 사용하여 방전하고 방전 과정에서 수소가 발생되는 상기 수계 이차전지; 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생산하는 개질기; 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스를 연료로 공급받는 연료전지; 및 상기 수계 이차전지에서 발생한 수소를 상기 연료전지의 연료로 공급하는 수소 공급부를 포함하는 복합 전지 시스템이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 이산화탄소를 연료로 사용하여 방전하고 방전 과정에서 수소가 발생되는 상기 수계 이차전지; 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 발생시키는 개질기; 상기 개질기로부터 생산된 개질 가스를 연료로 공급받는 연료전지; 상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 상기 수계 이차전지로 공급하는 이산화탄소 공급부; 및 상기 수계 이차전지에서 발생한 수소를 상기 연료전지의 연료로 공급하는 수소 공급부를 포함하는 복합 전지 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 애노드부의 전극으로 나트륨 금속을 이용하고, 캐소드부의 전극이 침지되는 수계 전해질로 이산화탄소를 공급함으로써, 애노드부의 전극에서 전해질을 통하여 나트륨 이온이 이동하여 수계 전해질에서 이산화탄소와 반응하여 수소와 탄산수소나트륨을 생성하고, 전기를 발생시키게 된다.
또한, 캐소드부로 수계 전해질에 미용해된 이산화탄소가 공급되는 것을 방지하는 이산화탄소 처리부를 구비하므로, 방전시 캐소드부에서 고순도의 수소가 생산될 수 있다.
그리고, 수계 전해질에 미용해된 이산화탄소는 이산화탄소 처리부에서 별도로 분리되어서 이산화탄소 순환 공급부에 의해 재공급되므로 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수계 이차전지의 방전 과정을 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1에 도시된 수계 이차전지의 충전 과정을 도시한 모식도로서, 캐소드부에 사용되는 수계 전해질이 중성 전해질인 경우를 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 수계 이차전지의 충전 과정을 도시한 모식도로서, 캐소드부에 사용되는 수계 전해질이 염기성 전해질인 경우를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 수계 이차전지의 충전 과정을 도시한 모식도로서, 캐소드부에 사용되는 수계 전해질이 해수인 경우를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용하는 수계 이차전지를 구비하는 복합 전지 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 수계 이차전지의 구성이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수계 이차전지(100)는, 캐소드부(110)와, 이산화탄소 처리부(120)와, 이산화탄소 순환 공급부(130)와, 캐소드부(110)와 이산화탄소 처리부(120)를 연통시키는 연결관(140)과, 애노드부(150)와, 캐소드부(110)와 애노드부(150)의 사이에 개재되는 고체 전해질(160)을 포함한다. 수계 이차전지(100)는, 방전 과정에서 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 원료로 사용하며, 고순도의 수소(H2)를 함께 생산되는 것을 특징으로 한다.
캐소드부(110)는 일측이 고체 전해질(160)에 의해 구획되는 제1 수용 공간(116)에 수용되는 수계 전해질(111)과, 수계 전해질(111)에 함침되는 캐소드(cathode)(115)를 구비한다. 상기 캐소드(115)는 전기 회로를 형성하기 위한 전극으로서 탄소 페이퍼, 탄소 섬유, 탄소 펠트, 탄소 천, 금속 폼, 금속박막, 또는 이들의 조합일 수 있다. 캐소드부(110)에는 제1 수용 공간(116)의 하부에 위치하고 연결관(130)이 연결되는 제1 연통구(112)와, 제1 수용 공간(116)의 상부에 위치하는 제1 배출구(113)가 형성된다. 제1 연통구(112)는 수계 전해질(111)의 수면보다 아래에 위치하며, 제1 연통구(112)를 통해 이산화탄소 처리부(120)와 연통된다. 제1 배출구(113)는 수계 전해질(111)의 수면보다 위에 위치하며, 제1 배출구(113)을 통해서 충·방전 과정에서 생성된 가스가 외부로 배출된다. 제1 수용 공간(116)에 수용되는 수계 전해질(111)은 중성 수계 전해질, 염기성 수계 전해질 및 해수 등을 포함하는데, 수계 전해질(111)의 종류에 따라 충전 반응식이 다르게 나타나는데, 이에 대해서는 아래에서 상세하게 설명될 것이다. 또한, 방전 반응식은 수계 전해질(111)의 종류에 관계없이 동일한데, 이에 대해서도 아래에서 상세하게 설명될 것이다.
캐소드부(110)는 화학반응을 위한 촉매가 더 포함될 수 있다. 충전시에는 산소발생반응(OER)이 선택적으로 원활하게 이루어질 수 있도록 이리듐, 루테늄 산화물 촉매와 페로브스카이트 산화물 촉매 등을 이용할 수 있다. 방전시에는 이산화탄소를 선택적으로 환원시킬 수 있도록 산소 환원 촉매로도 사용되는 백금류, 카본류, 그래핀류 중 적어도 어느 하나가 사용될 수 있다.
이산화탄소 처리부(120)는 제2 수용 공간(126)에 수용되는 수계 전해질(111)을 구비한다. 이산화탄소 처리부(120)에는 제2 수용 공간(126)으로 이산화탄소가 유입되는 유입구(122)와, 연결관(130)이 연결되는 제2 연통구(123)와, 제2 수용 공간(126)의 상부에 위치하는 제2 배출구(124)가 형성된다.
유입구(122)는 제2 수용 공간(126)에서 제2 연통구(123)보다 위에 위치하고, 제2 배출구(124) 및 수계 전해질(111)의 수면보다 아래에 위치한다. 유입구(122)를 통해 방전 과정에서 연료로 사용되는 이산화탄소 기체가 제2 수용 공간(126)으로 유입된다. 유입구(122)를 통해 필요에 따라 수계 전해질(111)도 공급될 수 있다. 유입구(122)와 제1 배출구(113)는 충전 및 방전시 밸브 등에 의해 선택적으로 적절한 시기에 맞춰서 개폐될 수 있다.
제2 연통구(123)는 제2 수용 공간(126)에서 유입구(122)보다 아래에 위치하며, 제2 연통구(123)에는 연결관(140)이 연결된다. 제2 연통구(123)를 통해 제2 수용 공간(126)은 제1 수용 공간(116)과 연통된다.
제2 배출구(124)는 제2 수용 공간(126)에서 유입구(122) 및 수계 전해질(111)의 수면보다 위에 위치한다. 제2 배출구(124)를 통해 제2 수용 공간(126)에서 수계 전해질(111)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체가 외부로 배출된다. 제2 배출구(124)를 통해 배출된 이산화탄소 가스는 이산화탄소 순환 공급부(130)를 통해 유입구(122)로 공급된다.
이산화탄소 순환 공급부(130)는 제2 배출구(124)를 통해 배출되는 이산화탄소 가스를 유입구(122)로 순환시켜서 재공급한다.
연결관(140)은 제1 수용 공간(116)의 제1 연통구(112)와 제2 수용 공간(126)의 제2 연통구(123)을 연결한다. 연결관(140)의 내부에 형성되는 연결 통로(141)를 통해 제1 수용 공간(116)과 제2 수용 공간(126)이 연통된다.
애노드부(150)는 일측이 고체 전해질(160)에 의해 구획되는 제2 수용 공간(156)에 수용되는 유기 전해질(151)과, 유기 전해질(151)에 함침되는 애노드(155)를 구비한다. 애노드(anode)(155)는 전기 회로를 이루는 전극이면서 캐소드부(110)로부터 이동된 나트륨 이온이 환원되어서 나트륨 금속으로 저장되고, 저장된 나트륨 금속이 산화될 수 있도록 나트륨 금속 또는 나트륨 금속을 포함하는 물질로 형성된다. 도시되지는 않았으나, 애노드(155)의 표면에는 음극 활물질층이 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 애노드(155)가 나트륨 금속을 포함하는 물질인 것으로 설명하는데, 나트륨 금속 외에 다른 금속(예를 들어, Li, Mg 등)이 사용될 수도 있다. 본 실시예에서는, 애노드부(150)에 유기 전해질(151)이 사용되는 것으로 설명하지만, 유기 전해질 외에 다른 형태의 전해질이 사용될 수도 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
고체 전해질(160)은 벽 형태로 캐소드부(110)와 애노드부(150)의 사이에 배치되어서 양면이 각각 캐소드부(110)의 제1 수용 공간(116)에 수용된 수계 전해질(111) 및 애노드부(150)의 제2 수용 공간(156)에 수용된 유기 전해질(151)과 접촉한다. 고체 전해질(160)은 캐소드부(110)와 애노드부(150)의 사이에서 나트륨 이온만 선택적으로 통과시킨다. 본 실시예에서는 나트륨 이온을 효율적으로 전달할 수 있도록 나시콘(NASICON: Na super ion conductor)인 Na3Zr2Si2PO12으로 형성되는 것으로 설명한다. 애노드(155)가 나트륨 금속 외에 다른 금속이 사용되는 경우, 고체 전해질(160)은 사용된 금속이 이온화된 금속 이온만을 선택적으로 통과시는 것이 사용된다.
이제, 위에서 구성 중심으로 설명된 수계 이차전지(100)의 충·방전 과정이 상세하게 설명된다.
먼저, 방전 과정을 설명하면 다음과 같다. 도 1에는 수계 이차전지(100)의 방전 과정이 함께 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 캐소드부(110)에서는 다음 [반응식 1]과 같은 화학적 반응이 이루어진다.
[반응식 1]
CO2(g) + H2O(l) → HCO3 -(aq) + H+(aq)
즉, 캐소드부(110)에서는 캐소드부(110)에 공급된 이산화탄소(CO2)가 수계 전해질의 물(H2O)과 자발적인 화학반응을 통해 중탄산이온(HCO3 -) 과 수소 양이온(H+)이 생성된다.
또한, 캐소드부(110)에서는 다음 [반응식 2]와 같은 전기적 반응이 이루어진다.
[반응식 2]
2H+(aq) + 2e- → H2(g)
즉, 캐소드부(110)에서 수소 양이온(H+)은 전자(e-)를 받아서 수소(H2) 기체가 발생하게 된다.
그리고, 애노드부(150)에서는 다음 [반응식 3]과 같은 전기적 반응이 이루어진다.
[반응식 3]
2Na(s) → 2Na+(aq) + 2e-
즉, 애노드부(150)에서 나트륨(Na)은 나트륨 양이온(Na+)과 전자(e-)로 분해되고, 나트륨 양이온(Na+)은 고체 전해질(160)에 의해 캐소드부(110)로 전달된다.
결국, 방전 과정에서 이루어지는 전체 반응은 다음 [반응식 4]와 같이 이루어진다.
[반응식 4]
2Na(s) + 2CO2(g) + 2H2O(l) → 2NaHCO3(aq) + H2(g)
즉, 수계 전해질(111)에 잔류하게 되는 중탄산이온(HCO3 -)은 애노드부(150)로부터 캐소드부(110)로 이동한 나트륨 양이온(Na+)과 전자 평형을 맞추고, 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 수소(H2)가 생성된다. 생성된 탄산수소나트륨(NaHCO3)은 수계 전해질(111)에 수용액 형태로 존재하며, 생성된 수소 가스(H2)는 제1 배출구(113)를 통해 외부로 배출된다.
아울러, 유입구(122)를 통해 이산화탄소 처리부(120)의 제2 수용 공간(126)으로 유입된 이산화탄소 중 수계 전해질(111)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 캐소드부(110)의 제1 수용 공간(116)으로 이동하지 못하고 상승하여 제2 수용 공간(126) 내 수계 전해질(111)의 수면 위 공간에 모인 후 제2 배출구(124)를 통해 배출되고 제2 배출구(124)를 통해 배출된 이산화탄소는 이산화탄소 순환 공급부(130)에 의해 유입구(122)를 통해 제2 수용 공간(126)으로 공급되어서 재활용된다. 또한, 이산화탄소 처리부(120)의 제2 수용 공간(126)으로 유입된 이산화탄소 중 수계 전해질(111)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체는 캐소드부(110)의 제1 수용 공간(116)으로 이동하지 못하므로, 제1 배출구(113)를 통해서 이산화탄소가 섞이지 않은 고순도의 수소가 배출될 수 있다.
위에서 설명한 방전 과정의 반응식은 수계 전해질(111)의 종류에 관계없이 동일하지만, 충전 과정의 반응식은 수계 전해질(111)의 종류에 따라 달라진다. 이제부터는, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 수계 전해질(111)의 종류에 따른 충전 과정의 반응식을 설명한다.
도 2는 수계 전해질(111)이 중성 전해질인 경우의 충전 반응을 설명하는 도면이다. 도 2를 참조하면, 캐소드부(110)에서는 다음 [반응식 5]과 같은 반응이 이루어진다.
[반응식 5]
2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4e-
즉, 캐소드부(110)에서는 물(H2O)이 화학반응에 의해 분해되어서 산소 가스(O2), 수소 양이온(H+) 및 전자(e-)가 생성된다. 생성된 산소 가스(O2)는 제1 배출구(113)를 통해 외부로 배출되고, 생성된 수소 양이온(H+)은 수계 전해질(111)에 수용액 형태로 존재하게 되며, 생성된 전자(e-)는 전기회로를 통해 애노드부(150)로 이동하게 된다.
또한, 애노드부(150)에서는 다음 [반응식 6]과 같은 반응이 이루어진다.
[반응식 6]
Na+(aq)+ e- → Na(s)
즉, 캐소드부(110)로부터 전달된 나트륨 이온(Na+)과 전자(e-)가 결합하여 나트륨 금속으로 환원된다.
결국, 중성 수계 전해질을 이용하는 경우에, 충전 과정에서 이루어지는 전체 반응은 다음 [반응식 7]과 같이 이루어진다.
[반응식 7]
4Na+(aq) + 2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4Na(s)
도 3은 캐소드부에 사용되는 수계 전해질이 염기성 전해질인 경우의 충전 반응을 설명하는 도면이다. 도 3을 참조하면, 캐소드부(110)에서는 다음 [반응식 8]과 같은 반응이 이루어진다.
[반응식 8]
4OH-(aq) → O2(g) + 2H2O(l) + 4e-
즉, 캐소드부(110)에서는 수산화 음이온(OH-)이 화학반응에 의해 분해되어서 산소 가스(O2), 물(H2O) 및 전자(e-)가 생성된다. 생성된 산소 가스(O2)는 제1 배출구(113)를 통해 외부로 배출되고, 생성된 전자(e-)는 전기회로를 통해 애노드부(150)로 이동하게 된다.
또한, 애노드부(150)에서는 다음 [반응식 9]와 같은 반응이 이루어진다.
[반응식 9]
Na+(aq)+ e- → Na(s)
즉, 캐소드부(110)로부터 전달된 나트륨 이온(Na+)과 전자(e-)가 결합하여 나트륨 금속으로 환원된다.
결국, 염기성 수계 전해질을 이용하는 경우에, 충전 과정에서 이루어지는 전체 반응은 다음 [반응식 10]과 같이 이루어진다.
[반응식 10]
4Na+(aq) + 4OH-(aq) → O2(g) + 2H2O(l) + 4Na(s)
도 4는 캐소드부에 사용되는 수계 전해질이 해수인 경우의 충전 반응을 설명하는 도면이다. 수계 전해질이 해수인 경우, 해수는 약알칼리성으로서 염소 음이온(Cl-)과 수산화 음이온(OH-)이 공존하므로, 도 3을 통해 설명된 반응([반응식 8], [반응식 9] 및 [반응식 10])과 도 4를 참조하여 아래에서 설명되는 반응이 동시에 일어날 수 있다.
도 4를 참조하면, 캐소드부(110)에서는 다음 [반응식 11]과 같은 반응이 이루어진다.
[반응식 11]
2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-
즉, 캐소드부(110)에서는 염소 음이온(Cl-)이 화학반응에 의해 분해되어서 염소 가스(Cl2)와 전자(e-)가 생성된다. 생성된 염소 가스(Cl2)는 제1 배출구(113)를 통해 외부로 배출되고, 생성된 전자(e-)는 전기회로를 통해 애노드부(150)로 이동하게 된다.
또한, 애노드부(150)에서는 다음 [반응식 12]와 같은 반응이 이루어진다.
[반응식 12]
Na+(aq)+ e- → Na(s)
즉, 캐소드부(110)로부터 전달된 나트륨 이온(Na+)과 전자(e-)가 결합하여 나트륨 금속으로 환원된다.
결국, 해수를 수계 전해질로 이용하는 경우에, 충전 과정에서 이루어지는 전체 반응은 다음 [반응식 13]과 같이 이루어진다.
[반응식 13]
2Na+(aq) + 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2Na(s)
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용하는 수계 이차전지를 구비하는 복합 전지 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 전지 시스템(1000)은 이산화탄소 가스(CO2)를 연료로 사용하여 방전하고 방전 과정에서 수소 가스(H2)가 발생되는 수계 이차전지(100)와, 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생산하고 부가적으로 이산화탄소 가스(CO2)를 발생시키는 개질기(300)와, 수소와 산소를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지(200)와, 개질기(300)에서 발생한 이산화탄소 가스를 수계 이차전지(100)로 공급하는 이산화탄소 공급부(400)와, 수계 이차전지(100)에서 발생한 수소 가스를 연료전지로 공급하는 수소 공급부(500)와, 개질기(300)에서 생산된 개질 가스를 연료전지(200)로 공급하는 개질 가스 공급부(600)를 포함한다.
수계 이차전지(100)는 앞서서 도 1 내지 도 4를 통해 설명된 수계 이차전지(100)로서, 도 1을 참고하여 상세하게 설명된 바와 같이 방전 과정에서 이산화탄소 가스를 연료로 사용하고 고순도의 수소 가스를 발생시킨다. 수계 이차전지(100)로 공급되는 이산화탄소 가스는 개질기(300)에서 발생하여 이산화탄소 공급부(400)를 통해 공급되는 이산화탄소 가스이다. 수계 이차전지(100)에서 발생한 수소 가스는 수소 공급부(500)에 의해 연료전지(200)로 공급된다.
개질기(300)는 수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생산하고 부가적으로 이산화탄소 가스를 발생시킨다. 이를 위하여, 본 실시예에서는 개질기(300)가 메탄(CH4)과 수증기(H2O)의 개질 반응에 의해 수소(H2)를 생산하는 메탄-수증기 개질기인 것으로 설명한다.
메탄-수증기 개질기(300)는 공정 가격이 저렴하고 대량 생산이 가능한 장점들 때문에 수소 생산 공정 중 상당히 많은 부분을 차지하고 있다. 다음의 [반응식 14]는 메탄-수증기 개질기(300)의 개질 반응에 관한 것이다.
[반응식 14]
CH4 + H2O -> CO + 3H2
CO + H2O -> CO2 + H2
즉 메탄과 수증기의 화학반응에 의해 일산화탄소(CO)와 수소가 생성되며, 연속적으로 일산화탄소와 수증기의 화학반응에 의해 최종적으로 수소가 생산될 수 있다. 메탄-수증기 개질기(300)에서 생산된 수소는 개질 가스 공급부(600)에 의해 연료전지(110) 등의 연료로 공급된다.
그런데 상기 메탄-수증기 개질기(300)는 상술한 많은 장점을 갖고 있지만, 상기 [반응식 14]에서 알 수 있는 바와 같이 그 공정의 운영을 위해 외부에서 수증기를 공급해줘야 하며, 수소 생산의 부산물로서 지구 온난화 환경문제의 주원인이 되는 이산화탄소가 발생될 수 밖에 없다는 문제점이 있다. 하지만 본 발명의 경우, 메탄-수증기 개질기(300)에서 발생되는 이산화탄소는 대기 중으로 방출되거나 별도의 이산화탄소 포집, 저장 공정으로 전달되는 대신, 수계 이차전지(100)의 방전 반응을 위해 이산화탄소 공급부(400)에 의해 수계 이차전지(100)에 전달됨으로써 메탄-수증기 개질기(300)의 운영에 있어 필요악인 이산화탄소 발생 문제까지 해결될 수 있을 뿐만 아니라 수계 이차전지(100)와 메탄-수증기 개질기(300)를 연계하는 시스템을 구축함에 따라 중복 공정이 생략될 수 있다. 메탄-수증기 개질기(300)는 공지된 기술이므로, 여기서 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
연료전지(200)는 수소와 산소의 화학반응에 의해 물이 생성됨과 아울러 전기에너지를 발생시키는 것이다. 연료전지(200)는 친환경적인 측면에서 많은 장점을 가지고 있지만, 상기 메탄-수증기 개질기(300) 등으로부터 추출된 수소를 공급받아야 한다. 하지만 본 발명의 경우, 연료전지(200)는 수계 이차전지(100)와 하나의 시스템으로 구축됨으로써 수계 이차전지(100)의 방전 과정에서 발생하는 수소 가스를 공급받음으로써, 효율이 현저하게 향상될 수 있다.
이산화탄소 공급부(400)는 개질기(300)에서 부산물로 발생한 이산화탄소 가스를 수계 이차전지(100)로 공급한다.
수소 공급부(500)는 수계 이차전지(100)의 방전 과정에서 부산물로 발생하는 수소 가스를 연료전지(200)의 연료로 공급한다.
개질 가스 공급부(600)는 개질기(300)에서 생산된 개질 가스를 연료전지(200)의 연료로 공급한다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
100 : 수계 이차전지 110 : 캐소드부
111 : 수계 전해질 112 : 제1 연통구
113 : 제1 배출구 115 : 캐소드
116 : 제1 수용 공간 120 : 이산화탄소 처리부
122 : 유입구 123 : 제2 연통구
124 : 제2 배출관 126 : 제2 수용 공간
130 : 이산화탄소 순환 공급부 140 : 연결관
141 : 연결 통로 150 : 애노드부
151 : 유기 전해질 155 : 애노드
156 : 제3 수용 공간 130 : 고체 전해질
200 : 연료전지 300 : 개질기
400 : 이산화탄소 공급부 500 : 수소 공급부
600 : 개질 가스 공급부 1000 : 복합 전지 시스템

Claims (17)

  1. 이산화탄소를 연료로 사용하여 방전하고 방전 과정에서 수소가 발생되는 수계 이차전지;
    수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 발생시키는 개질기;
    상기 개질기로부터 생산된 개질 가스를 연료로 공급받는 연료전지; 및
    상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 상기 수계 이차전지로 공급하는 이산화탄소 공급부를 포함하며,
    상기 수계 이차전지는,
    제1 수용 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 수계 전해질에 함침되는 캐소드를 구비하는 캐소드부;
    상기 제1 수용 공간과 연통되는 제2 수용 공간에 수용되는 상기 수계 전해질을 구비하는 이산화탄소 처리부;
    제3 수용 공간에 수용되는 전해질과, 상기 전해질에 함침되고 금속을 포함하는 애노드를 구비하는 애노드부; 및
    상기 캐소드부와 상기 애노드부 사이에서 상기 금속이 이온화된 금속 이온을 선택적으로 통과시키도록 배치되는 고체 전해질을 포함하며,
    상기 이산화탄소 처리부에는 상기 제2 수용 공간에 수용되는 상기 수계 전해질의 수면보다 아래에 위치하고 방전시 이산화탄소 기체가 유입되는 유입구가 형성되며,
    상기 제2 수용 공간에서 상기 제1 수용 공간과 연통되도록 형성된 연통구는 상기 유입구보다 아래에 위치하는 복합 전지 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 캐소드부에는 방전 시 발생한 수소가 배출되도록 상기 제1 수용 공간에 수용되는 수계 전해질의 수면보다 위에 위치하는 제1 배출구가 형성되는 복합 전지 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부에는 방전 시 상기 제2 수용 공간에 수용되는 수계 전해질에 용해되지 않은 이산화탄소가 배출되도록 상기 제2 수용 공간에 수용되는 수계 전해질의 수면보다 위에 위치하는 제2 배출구가 형성되는 복합 전지 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제2 배출구를 통해 배출되는 이산화탄소를 방전시 상기 유입구로 공급하는 이산화탄소 순환 공급부를 더 포함하는 복합 전지 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 금속은 나트륨 금속이며,
    방전 시 상기 캐소드부에서는 외부에서 공급된 이산화탄소에 의해 다음 [반응식 1]과 같은 화학적 반응이 일어나며,
    [반응식 1]
    CO2(g) + H2O(l) → HCO3 -(aq) + H+(aq)
    방전시 상기 캐소드부에서는 다음 [반응식 2]와 같은 전기적 반응이 일어나며,
    [반응식 2]
    2H+(aq) + 2e- → H2(g)
    방전시 상기 애노드부에서는 다음 [반응식 3]과 같은 전기적 반응이 일어나며,
    [반응식 3]
    2Na(s) → 2Na+(aq) + 2e-
    방전시 전체 반응은 다음 [반응식 4]와 같이 일어나는 복합 전지 시스템.
    [반응식 4]
    2Na(s) + 2CO2(g) + 2H2O(l) → 2NaHCO3(aq) + H2(g)
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 수계 전해질은 중성 전해질이며,
    충전시 상기 캐소드부에서는 다음 [반응식 5]와 같은 반응이 일어나며,
    [반응식 5]
    2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4e-
    충전시 상기 애노드부에서는 다음 [반응식 6]과 같은 반응이 일어나며,
    [반응식 6]
    Na+(aq)+ e- → Na(s)
    충전시 전체 반응은 다음 [반응식 7]과 같이 일어나는 복합 전지 시스템.
    [반응식 7]
    4Na+(aq) + 2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4Na(s)
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 수계 전해질은 염기성 전해질이며,
    충전시 상기 캐소드부에서는 다음 [반응식 8]과 같은 반응이 일어나며,
    [반응식 8]
    4OH-(aq) → O2(g) + 2H2O(l) + 4e-
    충전시 상기 애노드부에서는 다음 [반응식 9]와 같은 반응이 일어나며,
    [반응식 9]
    Na+(aq)+ e- → Na(s)
    충전시 전체 반응은 다음 [반응식 10]과 같이 일어나는 복합 전지 시스템.
    [반응식 10]
    4Na+(aq) + 4OH-(aq) → O2(g) + 2H2O(l) + 4Na(s)
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 수계 전해질은 해수이며,
    충전시 상기 캐소드부에서는 다음 [반응식 8]과 [반응식 11]과 같은 반응이 일어나며,
    [반응식 8]
    4OH-(aq) → O2(g) + 2H2O(l) + 4e-
    [반응식 11]
    2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-
    충전시 상기 애노드부에서는 다음 [반응식 12]와 같은 반응이 일어나며,
    [반응식 9]
    Na+(aq)+ e- → Na(s)
    충전시 전체 반응은 다음 [반응식 10]과 [반응식 13]과 같이 일어나는 복합 전지 시스템.
    [반응식 10]
    4Na+(aq) + 4OH-(aq) → O2(g) + 2H2O(l) + 4Na(s)
    [반응식 13]
    2Na+(aq) + 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2Na(s)
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질기는 메탄(CH4)과 수증기(H2O)의 개질 반응에 의해 수소(H2)를 생산하는 메탄-수증기 개질기인 복합 전지 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 수계 이차전지에서 발생한 수소를 상기 연료전지의 연료로 공급하는 수소 공급부를 더 포함하는 복합 전지 시스템.
  12. 이산화탄소를 연료로 사용하여 방전하고 방전 과정에서 수소가 발생되는 수계 이차전지;
    수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생산하는 개질기;
    상기 개질기로부터 생산된 개질 가스를 연료로 공급받는 연료전지; 및
    상기 수계 이차전지에서 발생한 수소를 상기 연료전지의 연료로 공급하는 수소 공급부를 포함하며,
    상기 수계 이차전지는,
    상기 수계 이차전지는,
    제1 수용 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 수계 전해질에 함침되는 캐소드를 구비하는 캐소드부;
    상기 제1 수용 공간과 연통되는 제2 수용 공간에 수용되는 상기 수계 전해질을 구비하는 이산화탄소 처리부;
    제3 수용 공간에 수용되는 전해질과, 상기 전해질에 함침되고 금속을 포함하는 애노드를 구비하는 애노드부; 및
    상기 캐소드부와 상기 애노드부 사이에서 상기 금속이 이온화된 금속 이온을 선택적으로 통과시키도록 배치되는 고체 전해질을 포함하며,
    상기 이산화탄소 처리부에는 상기 제2 수용 공간에 수용되는 상기 수계 전해질의 수면보다 아래에 위치하고 방전시 이산화탄소 기체가 유입되는 유입구가 형성되며,
    상기 제2 수용 공간에서 상기 제1 수용 공간과 연통되도록 형성된 연통구는 상기 유입구보다 아래에 위치하는 복합 전지 시스템.
  13. 이산화탄소를 연료로 사용하여 방전하고 방전 과정에서 수소가 발생되는 수계 이차전지;
    수소함유 연료로부터 수소가 풍부한 개질 가스를 생산하고 부산물로 이산화탄소를 발생시키는 개질기;
    상기 개질기로부터 생산된 개질 가스를 연료로 공급받는 연료전지;
    상기 개질기에서 발생한 이산화탄소를 상기 수계 이차전지로 공급하는 이산화탄소 공급부; 및
    상기 수계 이차전지에서 발생한 수소를 상기 연료전지의 연료로 공급하는 수소 공급부를 포함하며,
    상기 수계 이차전지는,
    제1 수용 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 수계 전해질에 함침되는 캐소드를 구비하는 캐소드부;
    상기 제1 수용 공간과 연통되는 제2 수용 공간에 수용되는 상기 수계 전해질을 구비하는 이산화탄소 처리부;
    제3 수용 공간에 수용되는 전해질과, 상기 전해질에 함침되고 금속을 포함하는 애노드를 구비하는 애노드부; 및
    상기 캐소드부와 상기 애노드부 사이에서 상기 금속이 이온화된 금속 이온을 선택적으로 통과시키도록 배치되는 고체 전해질을 포함하며,
    상기 이산화탄소 처리부에는 상기 제2 수용 공간에 수용되는 상기 수계 전해질의 수면보다 아래에 위치하고 방전시 이산화탄소 기체가 유입되는 유입구가 형성되며,
    상기 제2 수용 공간에서 상기 제1 수용 공간과 연통되도록 형성된 연통구는 상기 유입구보다 아래에 위치하는 복합 전지 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 개질기는 메탄(CH4)과 수증기(H2O)의 개질 반응에 의해 수소(H2)를 생산하는 메탄-수증기 개질기인 복합 전지 시스템.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
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