KR20140116441A - 재생연료전지 - Google Patents

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KR20140116441A
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임페리얼 이노베이션스 리미티드
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Abstract

본 발명은 애노드 격실(compartment)에 수납된 가역 수소 가스 애노드와 캐소드 격실에 수납된 가역 캐소드를 포함하는 재생 연료전지를 제공하며, 캐소드에서의 레독스 반응이 다음 식 (i), (ii) 및 (iii) 중 선택된다:
Figure pct00020

Description

재생연료전지{Regenerative Fuel Cells}
본 발명은 재생 연료전지(regenerative fuel cell: RFC)에 관한 것이다.
재생 연료전지 및 이를 이용하여 전기를 저장하고 공급할 수 있는 방법은 수년간 알려져왔다. 이들은 에너지 저장 및 전력 공급을 위한 전기화학 장치이다. 전력 공급 단계에서는 전기화학 활성종(active species)이 전극에 공급되고 전기화학적으로 반응하여 전기화학적 전력을 생성한다. 에너지 저장 단계에서는 전력을 이용하여 전기화학 활성종을 재생하고 재생 활성종을 저장한다.
전기화학 활성종은 전극 격실(compartment)로부터 분리 저장되고, 필요할 때 공급될 수 있기 때문에 이 장치의 발전 용량은 매우 클 수 있다.
전기화학적 반응이 이온 수송계(예를 들면, 막 등)의 어느 한 편에 발생되어 선택적 전하 캐리어들이 막에 의해 이송 또는 교환되는 현상이 일어난다.
이러한 재생 연료전지(RFC) 시스템의 기본적인 화학 공정이 가지는 화학식은 그 작용이 시스템의 에너지 저장 모드에서 일방으로 진행하고 시스템에 의한 전력 공급 모드 기간에는 역방향으로 진행하는 특징이 있다. 이 화학 공정을 다음의 레독스(redox: 산화-환원) 화학 반응식에 의해 예시할 수 있고, 용어 "레독스"는 환원 및 상보적 산화가 함께 발생하는 반응을 규정한다.
Figure pct00001
그러나 실제 응용에서 이러한 시스템을 구현하였을 때 간단한 직접 화학 공정으로 보이는데도 불구하고, 커다란 한계에 봉착하였다. 실질적인 문제 가운데 유해 물질, 낮은 효율성, 시스템 크기, 전해질 흐름의 폐쇄 또는 막힘, 가스 형성, 특히 재료의 비용과 장치의 비용 문제가 있다. 이 때문에 RFC를 산업적으로 널리 사용할 수 없었다.
에너지 저장 기술의 잠재적 응용 범위는 넓다. 대부분의 재생 에너지 기술은 변동하는 수요에 맞추어 전력 출력을 쉽게 조절할 수 없기 때문에 저탄소/재생 에너지원을 현장에서 구현할 수 있게 하는 점에서 에너지 저장이 중요하다. 에너지 저장 기술은 일정한 전력 공급과 품질을 보장하기 위해 원격 전원으로 사용할 수 있으며, 또한 전기가 저렴한 때 에너지를 저장하고 피크타임에 저장된 에너지를 분배함으로써 전력의 비용을 줄일 수 있다.
다양한 개발 단계의 수많은 재생 연료전지가 있지만, 가장 발달된 RFC는 화학식 1의 산화 환원 반응을 이용하는 전바나듐계 레독스 흐름 전지(all-vanadium redox flow battery: VRB)이다. VRB의 최초 연구는 1985년에 뉴사우스 웨일스 대학교(the University of New South Wales)에서 시행되었다. (Sum, E. 및 Skyllas-Kazacos, M., Journal of Power Sources, 1985, vol. 15(2-3), 179-190; Sum, E., Rychcik, M. and Skyllas-Kazacos, M., Journal of Power Sources, 1985, vol. 16(2), 85-95). Skyllas-Kazacos 등에 의해 개발된 이 시스템은 반전지(半電池; half-cell)중의 하나에 황산에 용해된 바나딜 황산염을 이용한다. VRB는 각 반전지에서 동일한 요소를 사용하여 두개의 전해질 격실 간 교차되는 오염과 관련된 문제를 제거하는 등 다른 종류의 재생 연료전지에 비해 상당한 이점이 있다. 하지만, 이 시스템은 낮은 비에너지(specific energy)를 가지고 있어서 대규모 에너지 저장에는 대량의 전해액(electrolyte)이 필요하다. 전해질 때문에 저장비용은 높아지고 많은 양의 값비싼 바나듐을 사용해야 한다. 이 시스템은 또한 낮은 출력 전력 밀도의 특징이 있다. 그러한 이유로 전력 수요에 맞추려면 크고 더 많은 전지 구성요소가 필요하므로 고비용을 초래한다. 이러한 문제들의 일부를 적어도 줄이거나 극복하는 레독스 시스템을 제공하는 것이 유익할 것이며, 이런 시스템이 기존 시설을 이용한다면 특히 유리할 것이다.
또한, 금속 레독스 결합(redox couple)을 가진 모든 재생 연료전지가 직면하는 단점 하나는 금속 양이온이 전기화학적으로 감소할 때 수소 공진화(hydrogen co-evolution)가 일어날 수 있다는 것이다.
현재 개발되고 있는 대부분의 재생 연료전지는 액체/액체 RFC로서, 애노드와 캐소드 전기화학 활성종이 애노드액 및 캐소드액에 존재하는 구조이다. 수소 가스와 브롬 전해액을 사용하는 액체/기체 연료전지는 리브시츠, 브이 외(Livshits, V et al)에 의해 조사되어 왔다(Electrochemistry Communications, 2006, vol.8(8),1358-62). 후에, 인스토리지(EnStorage)라는 회사가 RFC로 재구성하였다. 비록 이 시스템은 고방전의 출력 전력을 제시하였지만, 이 시스템은 낮은 촉매 안정성과 가동 중 브롬기체 진화(evolution)을 포함한 사용상 문제점들이 많다. 보다 최근의 WO2011/089518은 수소 브롬 재생 연료전지를 제안하고 또한 수소 철 레독스 시스템의 사용을 언급한다. 하지만 이러한 철 II/III레독스 조합의 표준 전기화학 전위(0.77V vs SHE)가 낮기 때문에, 방전 시 이러한 수소-이온 시스템의 평균 동작 전압은 훨씬 더 낮아질 것이다.(실제로 재생 연료전지로 알려진 것 중에 제일 낮다.) 실용적인 레독스 전지 응용에 심각한 단점을 나타낸다. 또 다른 액체/기체 RFC는 바나듐/공기RFC (Hosseiny,S. S., et al, Electrochemistry Communications, 2011, vol. 13, 751-754)로 연구되었다. 그러나 이 시스템은 저효율, 저출력 밀도이고 재충전 능력이 부족하다.
재생 연료전지가 표준 연료전지와는 다르다는 것을 깨닫는 것이 중요하다. 표준 연료전지는 연료를 소비하고 일반적으로 전력 공급 모드로만 작동될 수 있고; 이들은, 에너지 저장모드(전력을 저장하는 모드)에서는 동작이 불가능하거나 가능하더라도 매우 비효율적인 방식으로 가능하다. 또한, 연료전지의 전기화학적 반응을 비가역적으로 반응시키면 촉매에 영구적인 손상을 일으킬 수 있다. 표준 연료전지는 단지 에너지 발생 모드로 동작하는 데 최적화된 반면 재생 연료전지는 전력 공급 모드와 에너지 저장 모드의 동작에 최적화될 수 있다. 따라서, 용이하게 가역적인 전기화학적 반응만이 재생 연료전지에 이용될 수 있는 한편, 특정 연료전지(직접 알코올, 또는 직접 수소화 붕소 연료전지 또는 수소/산소 연료전지 등)에서는 반응이 가역적일 필요가 없고, 실제로도 비가역적인 것이 보통이다. 이러한 고려사항 때문에 재생 연료전지는 보통 적어도 하나의 다른 전기화학 반응을 이용하는데, 이 점이 표준 연료전지와 대비된다. 그러나 연료전지가 예를 들어 "Advancements in the Direct Hydrogen Redox Fuel", Electrochemical and Solid-State Letters, 11 (2) B11-B15 (2008)에 게시된 수소I 시스템과 같이 반전지 양측이 용이하게 가역 가능한 레독스 반응을 이용하는 것이 명백할 지라도, 그러한 시스템은 연료전지와 재생 연료전지 모두에 사용될 수 있다.
또한 방전 동안의 평균 동작 전압은 중요하다. 저전압 시스템은 이 전압을 증가시키기 위해 더 많은 전지를 직렬로 필요로 하거나, 저전압-고전류 시스템에 대처하기 위해 전력 컨버터를 맞춤형 디자인으로 요구하므로 복잡성과 시스템 비용 모두를 증가시킨다.
그러므로 재생 연료전지용의 두 레독스 조합으로서, 가역성 있고, 실용적 농도(약 1M 이상)에서 용해되고, 그 레독스 조합의 표준 전극 전위들(Eo/V) 사이의 적절한 전위차를 갖고, 종래 기술의 제 문제를 극복하는 레독스 조합을 찾는 것은 당면한 과제이다.
본 발명은 바나듐, 세륨, 망간 또는 이들의 안정하고 가역 가능한 전기화학적 수성착물(complex)로부터 금속이 선택되는 수소가스/용해 금속 이온 재생 연료전지를 제공함으로써 위의 문제를 극복한다. 바나듐, 세륨 그리고 망간은 상대적으로 높은 전기화학적 레독스 전위를 가진다:
Figure pct00002
본 발명은 첨부한 특허청구범위에 정의되어 있다.
본 발명은 재생 연료전지(RFC), 즉 전기화학적 장치에 관계된 것으로서, 에너지 저장과 전력 공급 양용으로 구성되고 애노드액 격실과 캐소드액 격실을 가지되 두 격실을 분리하고 양성자를 선택적으로 통과시킬수 있는 막이, 예를 들어 양성자에 선택적 투과성을 가지고 양성자를 전달하는 기능을 갖거나 양성자교환막이 있는 것을 개시한다.
재생 연료전지 분야의 표준 전문용어에 따르면, 용어 "애노드"와 "캐소드"는 전력공급 모드에서 전극의 기능으로 정의된다. 혼동을 피하기 위해, RFC의 두 작동 모드(전력 공급과 에너지 저장)에서 동일 전극을 나타내는 데 동일한 용어를 계속 사용한다. 용어 "애노드액(anolyte)" 및 "캐소드액(catholyte)"은 "애노드" 및 "캐소드"와 접촉하는 전해액(electrolyte)을 지칭하는 데 사용한다.
전력공급 모드에서, 어떤 전기화학적 활성종은 애노드에서 산화되고 어떤 전기화학적 활성종은 캐소드에서 환원되어 반응종(reacted species) 또는 "사용후(spent)" 종(species)을 형성한다. 에너지 저장 모드에서, 전기화학적 시스템은 반전되어 "사용후" 캐소드 종이 캐소드에서 전기화학적으로 산화되어 대응하는 전기화학적 활성종을 재생한다. 수소 가스 애노드에서의 레독스 반응은 전기화학적 활성종(수소 가스)이 전해액에 용해하는 양성자로 변환되므로, 전력 공급 모드에서 "사용후" 종을 전혀 생성하지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 양성자는 애노드 격실과 캐소드 격실을 분리하는 막을 지나 선택적으로 막의 애노드 측에서 막의 캐소드 측으로 전달된다. 전력공급 모드일 때 애노드에서 수소가스의 산화 기간 중 생성된 전자는 집전장치로 모인다. 그러나 반응하지 않는 수소가스는 하나 이상의 도관에 의해 애노드 격실에서 떨어져 가스공급원 용기(가압 또는 비가압 용기)로 복귀할 수 있다. 에너지 저장 모드에서는, 양성자가 애노드 격실과 캐소드 격실을 분리하는 막을 지나 선택적으로 막의 캐소드 측에서 막의 애노드 측으로 전달되고 애노드에서 양성자가 환원되어 수소가스를 재생함으로써 애노드의 전기화학적 활성종을 형성한다.
따라서, 본 발명에 따라 제공되는 재생 연료전지는 전력공급 모드에서 애노드에 위치한 전기화학 활성종의 반응 및 캐소드에 위치한 다른 전기화학 활성종의 반응에 의하여 전력을 발생할 수 있고 에너지 저장 모드에서는 전력을 소비하여 상기 전기화학 활성종을 생성하도록 동작할 수 있고, 전지는
● 애노드 격실에 수납된 가역 가능한 수소 가스 애노드;
● 캐소드 격실에 수납된 가역 가능한 캐소드;
● 애노드 격실을 캐소드 격실로부터 분리하고 양성자들을 선택적으로 통과시킬 수 있는 막; 및
● 전기화학 활성종을 전력공급 모드에서 애노드와 캐소드에 공급하고, 생성된 전기화학 활성종을 에너지 저장 모드에서 애노드로부터 멀리 그리고 캐소드로부터 멀리 송출하는 도관(conduit)들을 포함하되,
애노드에서의 레독스 반응은
Figure pct00003
이고, 캐소드에서의 레독스 반응은 다음 중 선택된다:
Figure pct00004
재생 연료전지의 캐소드 측의 경우, 전기화학적 활성종은 캐소드 전극 격실에 공급되는 캐소드액에 존재한다. 애노드 측에서, 전기화학적 활성종은 수소이고, 애노드액 전극은 가스 투과성 전극이다.
캐소드액에 존재하는 전기화학적 활성종은 제 1 용기에 저장되어 전력공급 모드에서 캐소드 격실로 전달될 수 있다. 애노드 측에서, 전기화학적 활성종은 수소 가스이며, 일반적으로 가압 가스 공급원의 형태이다.
전력공급 모드인 동안, 사용후 전해액은 제 1 용기 또는 별개의 제 2 용기일 수 있는 용기에 수집된다. 에너지 저장 모드인 동안에는, 사용후 전해액이 그 용기로부터 캐소드 격실로 공급되며, 여기서 전기화학적 활성종이 재생된다. 제 1 및 제 2 용기(제공되는 경우)는 단일 용기의 상이한 격실들일 수 있다.
재생 연료전지는 캐소드액이 저장 용기와 캐소드 격실 사이에 도관들을 통하여 순환될 수 있도록 하는 펌프를 추가로 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 재생 연료전지는 압축기를 포함하여 전기화학적 전지 외부의 공급원 용기의 수소 가스를 가압 하에 저장할 수 있다. 이 시스템은 가스 저장 탱크가 생성 가스를 수용하기에 충분히 크다면 압축기 없이 작동할 수 있다. 예를 들어, 1M의 바나듐 전해액 100 m3 는 1, 10 및 100 bar 압력 하의 수소에 대해 각각 약 1200, 120 및 12 m3의 저장 탱크를 필요로 한다. 재생 연료전지는 저장 용기와 애노드 격실 사이의 도관을 통해 수소 가스를 순환시키기 위한 수단을 포함할 수 있고, 이는 예를 들면 펌프 또는 팬(fan)이다. 재생 연료전지는 또한 수소 가스를 공급원 용기에 저장하기 전에 건조하는 드라이어를 더 포함할 수 있다. 또한 재생 연료전지에 수소 팽창기-생성기를 장착하여 압축 가스 팽창의 결과 로서 전기를 공급할 수 있다.
전기화학적 반응은 개별 애노드나 캐소드에서 발생할 수 있고 또는 특히 가스 애노드의 경우에, 일반적으로 기체분리막/촉매화 다공성 가스 전극 계면에서 발생할 수 있어서 개별 애노드와 캐소드를 항상 식별하기는 쉽지 않을 수 있으므로 애노드와 캐소드의 대표로서 간단히 애노드 집전체와 캐소드 집전체를 채택하여, 전자를 외부 회로에서 어느 전극으로 공급하는 것과, 전자를 어느 전극으로부터 분리하여 외부 회로에 보내는 것을 쉽게 할 수 있다 (전력공급 모드에서, 애노드 집전체는 전자를 애노드에서 멀리 외부 회로에 전송하고, 캐소드 집전체는 전자를 외부 회로에서 캐소드로 공급할 것이다. 에너지 저장 모드에서는, 반대로 될 것이다.).
애노드는 다공성 가스 전극이고 캐소드는 다공성 또는 비 다공성 전극일 수 있으며, 바람직한 것은 다공성 전극들이다. 적합한 전극의 예는 이 기술분야에 잘 알려져있다. 본 발명에서는 특히 촉매화 다공성 탄소 전극들이 바람직하고, 특히 캐소드 반전지에 존재하는 전기화학적 활성종이 V5+일 때(그리고 각각의 "사용후" 종이 V4+일 때) 그러하다. 촉매화 다공성 탄소 전극의 예로서 촉매화 탄소 페이퍼(catalysed carbon paper), 천(cloth), 팰트(felt) 및 복합재료가 포함된다. 특정 실시예에서 캐소드는 하나 이상의 촉매화 탄소 페이퍼를 포함한다. 탄소는 그라파이트(graphitic), 무정질(amorphous)이거나 유리질(glassy) 구조를 가질 수 있다. 본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 애노드는 촉매화 전극이고 캐소드는 비 촉매화 전극이다. 전극의 다른 적당한 예는 내식성 금속(또는 금속 합금), 예를 들어 티타늄 또는 그 합금을 포함할 수 있고, 메시(mesh), 펠트 또는 폼(foam)의 형태일 수 있다. 캐소드에서의 레독스 반응은 일반적으로 촉매를 필요로 하지 않으므로, 이러한 재생 연료전지를 구비함으로써 단 한 개의 전극만 촉매화 한다면 그 제조비용을 상당히 절감할 수 있다. 필수 조건은 아니지만 비귀금속 촉매를 이용할 수 있어서 귀금속을 이용하는 경우보다 또한 비용을 낮게 유지할 수 있다. 애노드에서 사용되는 촉매는 귀금속일 수 있다. 예를 들어 백금, 팔라듐, 이리듐, 루테늄, 레늄, 로듐, 오스뮴 또는 그 합금일 수 있고, 여기에는 백금/루테늄 합금 등의 합금 또는 PtCo, PtNi, PtMo 같은 이원촉매, PtRuMo, PtRuSn, PtRuW등의 삼원촉매, RuSe, Pt-MoOx 등의 칼코겐화물(chalcogenides)/산화물이 포함될 수 있다. 일부 이원/삼원 또는 순수 귀금속 외 촉매들은 캐소드액 종 교차(catholyte species crossover)의 결과로 발생 가능한 촉매 중독에 더 강한 내성을 가질 수 있다. RFC가 종래의 연료전지와 같은 고출력 모드에서 동작할 것이 요구되지 않기 때문에 귀금속의 양은 일반의 촉매화 연료전지 가스 전극에 비해 상당히 감소할 수 있다.
애노드 반전지에 존재하는 전기화학 활성종은 수소가스이다. 따라서, 애노드에서 발생하는 레독스 반응은 다음과 같다:
Figure pct00005
수소 가스는 가압 가스 공급원 용기일 수 있는 컨테이너의 애노드 격실에 외부 저장된다. 수소 가스는 전력공급 모드에서 하나 이상의 도관에 의해 애노드 격실에 공급될 수 있으며, 에너지 저장 모드에서 하나 이상의 도관에 의해 애노드 격실로부터 멀리 전송될 수 있다.
캐소드 반전지에 존재하는 전기화학 활성종은 V5+, CE4+ 또는 Mn3+ 중의 하나 일 수 있고, 각각의 "사용후" 종은 V4+, Ce3+ 또는 Mn2+이다. 따라서, 캐소드에서 일어나는 레독스 반응은 다음 중 선택된 하나이다:
Figure pct00006
바람직한 실시예에서, 캐소드에서 일어나는 레독스 반응은 다음과 같다:
Figure pct00007
본 발명의 재생 연료전지는 위에서 언급한 이점을 제공하고 문제를 극복하고, 가장 중요하게는 (a) 고가의 금속 이온, 특히 바나듐의 양을 절반으로 줄임으로써 현재 사용중인 전 바나듐계 RFC(VRB)에 비해 비용이 감소되고, (b) VRB에 있던 대형 전해액 저장 탱크를 수소용 압축 가스 저장 용기로 교체함으로 인하여 재생 연료전지가 차지하는 공간의 크기를 줄이고, (c) 수소 산화 반응의 과전압이 낮아짐으로 인해 시스템의 출력 전력이 증가하고 (d) 바람직한 수소/바나듐 RFC의 경우, 기존 VRB을 개선하는 것으로 구현될 수 있으므로, VRB의 대체 자본 투자가 줄어든다.
캐소드 반전지에 존재하는 전기화학 활성종을 Mn+같은 자유 양이온으로 언급하더라도 이는 예를 들어 VO2 +와 VO2+ 등의 산화물 착물같이 임의의 안정된 양전하 착물(positively charged complex)과 같이 캐소드액 안에 존재할 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 양전하 착물의 특성은 캐소드액 용액을 제조하는데 이용되는 재료에 의존할 것이다. 예를 들어, 캐소드 반전지에 존재하는 전기화학 활성종이 바나듐일 때, 캐소드액 용액의 제조는 4가 바나듐 산화물(VO2), 바나딜 황산염(VOSO4) 혹은 5가 바나듐 산화물(V2O5), CeIII 2(SO4)3/ CeIV(SO4)2, 및 MnSO4을 이용하여 이루어질 수 있다. 전해액들은 일반적으로 수성(aqueous)이 될 것이다.
캐소드 반전지의 전기화학 활성종은 전해액 내에 존재한다. 산성 전해액은 이 기술 분야에 잘 알려져 있고, 본 발명에 따라 어떤 표준 산성 전해액이라도 이용 가능하다. 바람직한 전해질은 황산(sulphuric acid)을 포함하고, 농축 황산, 메탄술폰산염(methanesulfonic acid: MSA), 트리플루오로메탄술폰산(trifluoromethanesulfonic acid: TFSA) 또는 이들의 혼합물의 수용액일 수 있고, 가장 바람직하게는 황산의 수용액일 수 있다. Ce 및 Mn같은 레독스 결합의 높은 전기화학 전위 때문에, 에너지 저장 모드(충전)동안 산소 발생을 최소화하기 위해 유기산 전해액의 이용이 바람직할 것이다. 다른 강산의 사용은 산이 수용성 금속 양이온을 형성할 수 있지만 캐소드액을 환원하거나 산화하지 않는다면 제한되지 않는다. 전기화학 활성종의 캐소드액 내 농도는 재생 연료전지의 전력과 에너지 밀도를 결정한다. 그러므로, 전기화학 활성종의 캐소드액 내 농도는 바람직하게는 적어도 0.2M, 더욱 바람직하게는 0.5M보다 높게, 예를 들어 1M보다 높게 한다. 전기화학 활성종의 최대 실용 농도는 일반적으로 그것의 전해액 내 용해도에 의해 지배되는데, 이는 전해액으로부터의 침전이 고농도에서 점증하는 문제가 되기 때문이며, 전지 내 침전 물질의 존재는 전해액의 흐름을 방해하고 재생 연료전지의 작동을 방해하기 때문에 피하는 것이 바람직하다.
캐소드 격실로부터 애노드 격실을 분리하는 막은 양성자(수소 이온)를 선택적으로 통과시킬 수 있는 막이다. 이는 막이 양성자 교환막(proton exchange membrane)이나, 양성자가 투과할 수 있는 막을 의미한다. 막은 미세 다공성 막과 같은 다공성 분리막(porous separator)일 수 있다. 대안적으로, 막은 양이온 및 음이온 도체 모두의 하이브리드일 수 있다. 바람직하게, 상기 막은 양성자 교환막이다. 양성자 교환막은 기술 분야에서 잘 알려져 있으며, 예를 들어 NafionTM 이온 교환막이 듀퐁(DuPont)에 의해 제조되고 있다. NafionTM 막은 양호한 양성자 전도도와 양호한 화학 안정성을 가지고 있지만, 바나듐 양이온에 고 투과율을 나타내는 것과 고비용과 같은 다수의 단점을 갖는다. 따라서, 다른 바람직한 실시예에서, 막은 예를 들어 바나듐, 세륨, 망간의 양이온 같은 금속 양이온에 실질적으로 불투과성이다.
특히 바람직한 실시예에서 본 발명은 수소가스/용해 바나듐 이온 재생 연료전지를 제공한다. 본 발명의 재생 연료전지, 특히 수소/바나듐 이온 시스템은 필요한 고가의 바나듐 양을 절반으로 감축하여 상당한 비용을 절감하므로 현재 사용하고 있는 전 바나듐 RFC(VRB) 문제를 적어도 부분적으로 극복한다. 또한, 대형 전해액 저장 탱크를 수소용 압축 가스 저장용기로 교체하는 것은 재생 연료전지가 차지하는 공간의 크기를 감소하여 비용을 더욱 더 절감한다. 다른 장점으로는 수소 산화 반응의 낮은 과전위에 의해 시스템의 출력 전력이 증가하는 효과가 있다. 더 나아가서 바람직한 수소/바나듐 RFC의 장점은 기존 바나듐/바나듐 RFC 시스템을 개선하는 것이 간단히 바나듐 애노드를 수소 애노드로 대체하는 것으로 가능해서 전체 시스템의 설치가 필요 없으므로 본 발명의 재생 연료전지의 설치 자본비를 줄인다. 본 발명의 중요한 측면으로, 이러한 개장(retro-fitting) 특징은 기존 기술에 상당한 자본 투자를 한 사람들이 새로운 시스템을 사용해야 하는 커다란 단점을 해소한다.
재생 연료전지는 일반적으로 그 "도관구성(plumbing)" 때문에 연료전지로부터 구별될 수 있다. 재생 연료전지는 전력 공급단계에서 연료를 전극들에 공급하는 도관들과 사용후 연료를 저장소로 보내 재생될 수 있도록 하는 도관들을 모두 가지고 있다. 많은 경우에 연료는 전력 공급단계 후에 소모된 전해액의 형태를 갖게 되고 이 경우 도관들은 폐전해액(또는 사용후 전해액)을 저장소로 유도하고, 에너지 저장 모드 중에 예를 들어 적절한 펌프를 이용하여 그 반전지에 되돌려 공급하도록배열될 것이다. 그에 반해서 연료전지는 에너지 저장 모드에서 폐전해액을 전기화학적으로 보충하도록 세팅되지 않는다. 가스 전극을 포함하는 반전극을 가진 재생 연료전지의 경우에는, 일반적으로 압축기가 제공되어 에너지 저장 모드 중 발생된 가스를 압축하여 나중의 전력 공급단계를 위해 압력 가스 저장탱크에 비축될 수 있게 한다(산소 전극의 경우 산소는 대기에서 자유롭게 얻을 수 있으므로 압축기와 저장탱크가 필요하지 않다). 반면에 연료전지는 대개 그러한 압축기를 갖지 않는다.
도 1은 본 발명의 액체/가스 재생 연료전지의 개략 단면도이다(용어 "액체"와 "가스"는 두 전극에 공급된 전기화학 활성 물질의 상을 나타낸다).
도 2는 0.23M 바나듐을 이용한 경우, 바나듐/수소 재생 연료전지의 충방전 곡선이다.
도 3A는 현재의 가변 밀도로 0.23M 바나듐을 이용한 경우, 바나듐/수소 재생 연료전지의 충방전 곡선을 나타낸다.
도 3B는 가변 유동률에 0.23M 바나듐을 이용한 경우, 바나듐/수소 재생 연료전지의 충방전 곡선을 나타낸다.
도 4A는 50 ㎖/min의 유동률에 0.23M 바나듐을 이용한 경우, 바나듐/수소 재생 연료전지의 전력 밀도 곡선을 나타낸다.
도 4B는 100 ㎖/min의 유동률에 0.23M 바나듐을 이용한 경우, 바나듐/수소 재생 연료전지의 전력 밀도 곡선을 나타낸다.
도 5는 100㎖/min의 유동률에 1.0M 바나듐을 이용한 경우, 바나듐/수소 재생 연료전지의 전력 밀도 곡선을 나타내는 그래프로서, I-V 곡선(왼쪽)과 전력 곡선(오른쪽)을 결합하여 나타낸다.
도 6은 100% SOC와 가변 유동률에서 1M의 V(IV)/V(V)용액에 미처리 탄소 페이퍼를 넣은 바나듐/수소 재생 연료전지의 성능을 나타낸다.
도 7은 50㎖/min의 수소 유동률, 100 ml/분 바나듐 유동률 및 40 mA/cm2 전류 밀도에서 1M의 V(IV)/V(V) 용액에 미처리 탄소 페이퍼를 넣은 바나듐/수소 재생 연료전지의 충방전 곡선을 나타낸다.
도 1은 재생 연료전지에서 전력을 생산하는 데 이용되는 전기화학적 활성 물질들이 (a) 수소 가스(애노드에 공급) 및 (b) 액체 캐소드액에 용해된 금속 이온(캐소드에 공급)인 것을 개략적으로 나타낸다.
전력공급 모드에서, 전기화학적 활성종 Mn+1 을 포함하는 캐소드액은 펌프 (11)에 의해 캐소드액 저장 컨테이너(12A)의 격실로부터 펌핑되어 도관(12B)을 통해 캐소드액 격실(9)에 주입되어 다음 반-반응(half reaction)에 따라 캐소드(2)에서 환원된다:
Figure pct00008
그 다음 사용후 전해액 종 Mn을 포함하는 캐소드액은 제 2도관(1)을 통하여 캐소드액 격실로부터 나와서 캐소드액 저장 컨테이너(12A)로 이송되고, 거기서 새로운 캐소드액 격실과 분리되어 있는 격실에 저장된다.
애노드 및 애노드액 격실(8)의 적어도 일부는 다공의 가스 유동 전극에 의해 형성되고 수소가 도관(13)을 통해 가압 가스 공급원 용기(7)로부터 애노드/애노드 격실(8)로 공급되어, 수소는 다음의 반-반응에 따라 양성자(H +)로 산화된다:
Figure pct00009
그리고 전류가 집전장치(4)에 의하여 집전된다. 양성자 교환막(3)은 애노드액 격실(8)과 캐소드액 격실(9)을 분리하고 양성자를 선택적으로 막(3)의 애노드액 측에서 캐소드액 측으로 전달하여 전하의 균형을 이루고, 그에 따라 전기 회로를 완성한다. 미반응 수소는 모두 제 2 도관(5)에 의해 애노드액 격실(8)에서 멀리 반출되고 가압 가스 공급원 용기(7)로 복귀한다.
에너지 저장 모드에서는, 시스템이 반전되어 전기화학적 활성종 Mn이 캐소드액 저장 컨테이너(12A)로부터 펌핑되어 도관(1)을 통해 캐소드액 격실(9)에 주입되어 캐소드(2)에서 사용후 전해액 종 Mn이 산화되어 전기화학적 활성종 Mn+1을 형성한다. 그 결과 재생된 전해액은 펌프(11)에 의해 캐소드액 컨테이너(9)로부터 멀리, 제 2 도관(12B)을 통해 캐소드액 저장 컨테이너(12A)로 이송된다. 그 동안에 양성자 교환막(3)의 애노드액 측 양성자는 다공성 가스 애노드(4)에서 수소 가스로 촉매 환원되고; 수소는 다공성 애노드(4)로부터 멀리 도관(5)을 통하여 이송되고 압축기(6)의 압축을 받은 후 가압 가스 공급원 용기(7)에 저장된다.
종 Mn+1/Mn 이 V5+/V4+, Ce4+/Ce3+, Mn3+/Mn2+ 중 어느 것도 될 수 있고, 바람직하게는 V5+/V4+ 일 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
사례
예1
25cm2 활성 영역 재생 바나듐 연료전지(regenerative vanadium fuel cell: RVFC)를 아래에 명시한 대로 제작하여 시험하였다. 위의 전지에 사용되는 특정 구성 요소에 대한 자세한 내용은 아래에 제시된다: 연료전지 바이폴라 플레이트(bipolar plate) 응용 목적에 맞게 제작된 고전도성 고분자 복합체 ElectroPhen(Bac2)에서 사형 유로(serpentine flow channel) 판을 CNC가공한다. PTFE 시트로부터 플라스틱 끝판을 절단해내어 전지 전체에 균일한 압력 분포를 보장하도록 알루미늄 판들 사이에 끼워넣는다. 모든 실험에는 상용화된 HiSPEC M-200 클래스 MEA(Johnson Matthey 연료전지)를 이용하였으며 그 촉매 활성 영역은 25cm2으로 한다[Johnson Matthey http://www.jmfuelcells.com/products/meas]. iR 손실을 최소화하고 양호한 전기 전도성을 제공하기 위해 금 도금된 구리 집전기를 끝판과 유로 판 사이에 끼워 넣는다. 마지막으로, Viton 고무 가스켓을 상이한 전지 구성요소들 사이에 배치하여 시스템이 작동 중에 적절하게 밀폐되도록 하였다.
황산바나듐 용액의 제조
0.23M 및 1M의 바나듐 캐소드액 용액을 제조하기 위하여, 농축 황산 5M에 상응하는 양의 바나딜 황(Sigma-Aldrich)을 용해한다. Masterflex 이지 로드(easy-load)라고 하는 정량 펌프(peristaltic pump)와 Masterflex Chem-Durance 튜브를 이용해서 전지를 통해 바나듐 캐소드액을 펌핑한다.
VRB는 대략 1.5M-2.0M 정도의 바나듐 농도를 이용하는 것이 전형적이다. 그러나, 0.23M 용액이 전지 성능의 초기 현상을 제공하기에 충분해서 그것을 이용한다. 낮은 농도를 사용하면 낮은 전류 밀도에서 짧은 충방전 시간을 가능하게 한다. 이 용액은 달리 명시한 것을 제외하고, 모든 실험에 사용되었다.
충방전 사이클
표준 사이클
다음 절차는 충전/방전 사이클을 수행할 때 거치는 표준 단계를 자세히 설명한다. 바나듐과 수소 유동률은 절차 전반에 거쳐 일정하게 유지된다.
1. 이 시스템은 사이클이 수행될 당시 전류 밀도를 이용하여 0.45V의 목표 전압까지 방전된다. 만약 충전 시스템의 충전상태(state of charge: SOC)가 이 목표보다 낮으면, 시스템을 목표 SOC 이상 지점까지 충전한 다음 0.45V로 방전시킨다.
2. 이 시스템의 개방 회로 전압(open circuit voltage: OCV)을 5분 동안 측정한다.
3. 전압 차단 상한에 도달할 때까지 시스템을 원하는 전류 밀도에서 충전 한다.
4. 이 시스템의 OCV를 5분 동안 측정한다.
5. 전압 차단 하한에 도달할 때까지 시스템을 원하는 전류 밀도에서 방전 한다.
6. 이 시스템의 OCV를 5분 동안 측정한다.
설정 용량들 사이 사이클
1. 이 시스템은 사이클이 수행될 당시 전류 밀도를 이용하여 0.45V의 목표 전압까지 방전된다. 만약 시스템의 충전상태(SOC)가 목표보다 낮으면, 시스템을 목표 SOC 이상 지점까지 충전한 다음 0.45V로 방전 시킨다.
2. 특정 전류에 대해 희망 용량에 도달하는 데 필요한 시간 t(초)는 식 1로써 계산된다.
Figure pct00010
여기서 n- 전자의 수, F- 패러데이 수, C- 종 농도 [mole/L], V- 총 용액 체적 [L], I- 전류 [A], Q- 용량 [mAh]
3. 이 시스템의 개방 회로 전압(OCV)을 5분 동안 측정한다.
4. 단계 2에서 계산된 시간 동안 또는 전압 차단 상한에 도달할 때까지 시스템을 희망 전류 밀도에서 충전한다.
5. 이 시스템의 OCV를 5분 동안 측정한다.
6. 단계 2에서 계산된 시간 동안 또는 전압 차단 하한에 도달할 때까지 시스템을 희망 전류 밀도에서 방전한다.
7. 이 시스템의 OCV를 5분 동안 측정한다.
전압 차단 상한은 1.7 V로 하고, 이는 1.9V 이상 전압에서 탄소 페이퍼에의 부식위험이 존재하는 것(Joerissen et al, Journal of Power Sciences, 2004, vol. 127(1-2), 98-104)과 수산화(water oxidation)에 의한 과도한 산소 전개(evolution) 때문에 선택된다. 전압 차단 하한은 0.45 V로 하고, 이는 0.35 V 이하 전압에서 V(IV) 이온이 V(III) 이온으로 환원되기 때문이다 (0 pH에서 포베 선도(Pourbaix diagram)).
시스템 시험
0.23M V(V)/V(IV)에서 충방전사이클
다수의 충방전 사이클이 RVFC의 동작을 분석하기 위해 수행되었다.
도 2는 전류 밀도 8mA/cm2에서의 충방전 특성을 나타낸다. 이 시스템은 평탄한 충방전 곡선을 제공한다. 이 바나듐/수소 시스템을 위한 개방 회로 전위 (OCV)은 네른스트식(Nernst equation, 수학식 2)으로 계산할 수 있다.
Figure pct00011
전력공급 모드에서 반응은 다음과 같다:
애노드:H2(g) -> 2H+ + 2e-.
캐소드: 2VO2 + + 4H+ + 2e- -> 2VO2+ + 2H2O.
합: H2(g) + 2VO2 + + 2H+ -> 2VO2+ + 2H2O.
도 2에서 사이클의 충전 상태에서 OCV는 1.099V이다. 네른스트식을 이용하면, V(IV) 종에 대한 V(V) 종의 비율은 99%로 계산된다. 충전 상태에서는 더 높은 V(V) 종 농도가 예상되고 높은 OCV는 매우 높은 SOC를 나타낸다. 방전 후의 OCV는 0.9213V이고 7%의 V(V)농도에 상응한다. 용액이 방전되면서 V(V) 농도의 감소가 예상되고, 낮은 농도는 딥 방전(deep discharge)을 나타낸다.
상이한 전류 밀도, 0.23M V(V)/V(IV)에서의 충방전사이클
이 시스템은 740 mAh의 이론적인 최대용량값의 36% 이용에 해당되는 264 mAh의 목표용량까지 충전된다. 수소와 바나듐 유동률은 각 사이클을 통해 50mL/min 로 유지된다(도 3A). 그 결과에서, 전류 밀도가 증가할수록 충전 및 방전 단계 모두에 대한 과전위(overpotential)가 증가함이 관찰되었다. 과전위는 옴 저항(ohmic resistance), 전하 이동 및 질량 이동 현상과 관련된 손실에 기인한다. 각각 충방전 단계의 시작에서 손실은 대부분 전하 전달 과정에 의한 것이며, 마지막에는 과전위를 가져오는 것은 질량 운반 한계이다.
상이한 유동률, 0.23M V(V)/V(IV)에서의 충방전사이클
레독스 종의 이용에 영향을 주는 시스템 파라미터는 전류 밀도, 전압 윈도우 그리고 전해액 유동률이다. 전류 밀도가 증가할 때 전해액의 사용이 감소하는 것이 나타났다. 전류 밀도 또한 시스템의 동작 전력을 결정한다. 전해액 사용과 전력 출력 사이에 균형이 있다. 바나듐 유동률이 용량 이용에 주는 영향을 14 mA/cm2 (도 3B)의 전류 밀도에서 조사하였다. 이 시스템에 대해 좋은 대표점으로 간주하여 75% SOC에서의 최대 전력점을 선택하였다.
50 mL/min의 바나듐 유동률에서, 이 시스템은 16.2 %의 용량 이용률을 보인다(표 1 참조).
30 mL/min 까지의 유동률 감소는 9.5%까지의 용량 이용률 감소를 초래한다. 그러나, 70 mL/min 까지의 유동률 증가는 31.6%까지의 용량 이용률 증가를 가져온다. 40%의 유동률 감소는 41%의 이용률 감소를 가져오는 반면, 40%의 유동률 증가는 95% 이용률 증가를 일으킨다. 이것은 질량 이동과 농도분극(concentration polarization) 손실이 시스템에 중요하다는 것을 보여주고 있다. 더욱이 100 mL/min까지의 유동률 증가는 용량 이용률을 32.7%까지 증가시켰고, 더욱 높은 효율을 달성하였다. 표 1은 다양한 범위의 바나듐 유동률에 대한 용량 이용률을 나타낸다.
Figure pct00012
50 ml/min 유동률, 0.23M V(V)/V(IV)에서의 전력 밀도
바나듐50 mL/min의 유동률과 3개의 충전상태(SOC)에서 시스템의 전력 곡선을 측정하였다(도 4A). 75%의 SOC에서 시스템은 14 mA/cm2 전류 밀도에서 7.7 mW/cm2전력 최대점에 도달하였다.
100 ml/min 유동률, 0.23M V(V)/V(IV)에서의 전력 밀도
100 mL/min의 유동률과 3개의 상이한 충전상태(SOC)에서 전력 곡선을 측정하였다(도 4A). 100% SOC인 경우 시스템은 전류 밀도 24 mA/cm2 에서 13.3 mW/cm2 전력 최대점에 도달하였다. 75% SOC인 경우 전류 밀도 21 mA/cm2 에서 10.7 mW/cm2 전력 최대점에 도달하였다. 이것은 50 mL/min의 유동률로 도달하는 전력에 비해 최대 전력의 39% 증가를 나타낸다. 높은 바나듐 유동률에서 동작하는 것이 질량 수송 한계를 줄이고 용량 이용률을 증가시킴으로써 시스템의 성능을 향상시킨다.
100 ml/min 유동률, 1.0M V(V)/V(IV)에서의 전력 밀도
대규모 시스템에 대한 중요한 고려 사항으로서, 바나듐 농도를 증가시키는 효과를 조사하기 위하여 바나듐의 농도는 0.23 M에서 1.0 M로 증가하였다. 전형적인 대규모 VRB시스템은 1.5 - 2.0 M의 바나듐 농도를 가질 것이다. 용해도 및 V5+의 침전은 2.0 M 이상의 농도에서 문제가 된다. 1.0 M 용액을 선택하였는데, 그 이유는 이 정도는 기존 시스템에 비해 상당한 농도 증가이며, 대규모에서 사용되는 1.5 M 농도에 더 근접하기 때문이다.
1.0 M 시스템의 전력 곡선을 100 mL/min의 바나듐 유동률과 100%, 75%, 그리고 50%(도5)의 SOC에서 측정하였다. 100% SOC에서 도달하는 최대 전력은 84 mA/cm2 전류 밀도에서 54.3 mW/cm2이다. 75%의 SOC에 대한 최대 전력점 또한 48.4 mW/cm2이라는 특정 전력인데, 이는 84mA/cm2의 전류 밀도에서 나타난 것이다. 만약 0.23 M 시스템의 75% SOC에서 결정된 최대 전력점이 선형적으로 1.0M까지 확대된다면, 91 mA/cm2의 전류 밀도에서 46.5 mW/cm2의 전력에 도달한다. 이것은 최대 전력과 바나듐 농도 사이에 현저한 선형 관계가 있음을 나타낸다. 이 과정에서 실험 중 최적화 되지 않은의 RVFC가 현재의 상업적 VRB기술에 비해 놀라울 정도로 높은 전력 밀도를 보여준 것을 발견하였다. 예를 들어 2 M의 바나듐 용액과 1.3 V의 평균 작동 전압을 가진 보통 VRB 시스템의 방전 전력 밀도는 약 65 mW/cm2 (Rychcik, M. and Skyllas-Kazacos, M., Journal of Power Sources, 1988, vol. 22, 56-67) 이거나 1 M 바나듐 용액에 대해 32 mW/cm2 인데, 이는 최적화되지 않은 RVFC의 방전 전력 밀도 보다 40% 낮은 것이다. 이 결과는 현재 최첨단 전바나듐 시스템과 비교하여 전력 출력의 측면에서 최적화된 RVFC 시스템의 잠재력을 더 공고히 한다.
72 mA/cm2의 전류 밀도(최대 전력점 바로 아래) 그리고 바나듐 유동률 100 mL/min에서 동작할 때의 1.0 M 시스템에 대해 30.9%의 에너지 효율이 달성되었다. 이는 유사한 조건하에(표 2) 0.23 M 시스템에 대한 33.5%의 에너지 효율과 비교된다. 1.0M 용액은 낮은 전압 효율이 주원인이 되어 전체적으로 낮은 에너지 효율을 갖지만, 높은 쿨롬(Coulombic) 효율을 달성한다. 표 2는 0.23 M 및 1.0 M 시스템의 효율 비교를 나타낸다.
Figure pct00013
예2
예 1에서 설명된 수소/바나듐 재생 연료전지의 성능을 향상시키기 위하여, HiSPEC M-200 Class MEA를 대체하여 수소 측에 시판중인 GDL(Johnson Matthey로부터 구입 가능하며, http://www.alfa.com/en/GP100w.pgm?DSSTK=045357 참조)을 이용하되, 백금 사용량(Pt loading)을 0.5 mg/cm2으로 하고, NAFION 117막과, 바나듐 측에는 2매의 준완성(미처리된) Toray 탄소 페이퍼를 이용 (Johnson Matthey로부터 구입 가능하며, http://www.alfa.com/en/GP100w.pgm?DSSTK=045356 참조)하였다. 이 두 매의 미처리된 탄소 페이퍼를 이용한 시스템의 성능은 도 6에 도시된다.
100 ml/min 유동률에서 이 재생 연료전지는 이전 버전의 최고 전력 밀도(54.3 mW/cm2)의 거의 2배인 106.7 mW/cm2를 달성하였다. 유동률을 150및 200 ml/min까지 증가하면 추가 성능 향상 효과가 (각각 113 및 114 mW/cm2)크지 않은데, 이는 질량 수송이 이 조건에서 전압 손실에 중요한 원인이 아님을 나타낸다.
도 7은 예 2의 수소/바나듐 재생 연료전지의 충방전 특성을 나타낸다. 시중의 MEA 구성(예 1)을 이용한 전지의 성능에 비해, 효율성은 향샹되고 1 M 바나듐 용액의 이용률이 높아진다. 전압 효율은 69%이다. 쿨롱 효율은 87%이다. 에너지 또는 전체 효율은 60%이다. 용량 이용률은 70%이다.(1M 용액의 초기 용량은 3127mAh, 방전 용량은 2190mAh이었다.)
개선이 달성된 것은 두 가지 주요 요인에 기인한다: PTFE 처리되지 않은 탄소 페이퍼가 이용되어 탄소 전극의 습윤성을 개선한다. 게다가, 하나가 아닌 2매 이상의 탄소 페이퍼의 사용은 바나듐의 벌크 전기화학 레독스 반응에 대한 전체 부피를 증가시킨다.
1: 제 2 도관 2: 캐소드
3: 양성자 교환막 4: 집전장치, 다공성 가스 애노드
5: 제 2 도관 6: 압축기
7: 가압 가스 공급원 용기 8: 애노드액 격실
9: 캐소드액 격실
11: 펌프 12A: 캐소드액 저장 컨테이너
12B: 제 2 도관 13: 도관

Claims (14)

  1. 전력공급 모드에서 애노드 및 캐소드에 위치한 전기화학 활성종 (active species)의 반응에 의하여 전력을 발생하고 에너지 저장 모드에서는 전력을 소비하여 상기 전기화학 활성종을 생성하도록 동작할 수 있는 재생 연료전지로서,
    애노드 격실(compartment)내의 가역 가능한(reversible) 수소가스 애노드;
    캐소드 격실 내의 가역 가능한 캐소드;
    상기 애노드 격실을 상기 캐소드 격실로부터 분리하고 양성자들을 선택적으로 통과시킬 수 있는 막; 및
    전기화학 활성종을 상기 전력공급 모드에서 상기 애노드와 상기 캐소드에 공급하고, 생성된 전기화학 활성종을 상기 에너지 저장 모드에서 상기 애노드로부터 멀리 그리고 상기 캐소드로부터 멀리 송출하는 도관(conduit)들을 포함하며,
    상기 애노드에서의 레독스(redox) 반응은
    Figure pct00014

    이고, 상기 캐소드에서의 레독스 반응은 다음 중 선택되는 것을 특징으로 하는 재생연료전지:
    Figure pct00015
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드에서의 상기 레독스 반응은,
    Figure pct00016
    인 것을 특징으로 하는 재생연료전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 캐소드의 전기화학 활성종을 함유하는 액체 캐소드액(catholyte)을 저장하도록 구성된 적어도 하나의 용기를 포함하고, 제 1의 용기는 상기 전력공급 모드에서 상기 캐소드액 격실에 연결되어 상기 전기화학 활성종을 함유하는 액체 캐소드액을 상기 캐소드액 격실에 공급하는 것을 특징으로 하는 재생연료전지.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 용기는 상기 에너지 저장 모드에서 상기 캐소드액 격실에 연결되어 상기 캐소드액 격실로부터 생성된 전기화학 활성종을 함유하는 캐소드액을 수용하는 것을 특징으로 하는 재생연료전지.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용후(spent) 전기화학 활성종을 함유하는 액체 캐소드액을 저장하도록 구성된 적어도 하나의 용기를 포함하고, 제 2의 용기는 상기 전력공급 모드에서 도관에 연결되어 상기 캐소드액 격실로부터 상기 사용후 전기화학 활성종을 함유하는 캐소드 액을 수용하는 것을 특징으로 하는 재생연료전지.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 용기는 상기 에너지 저장 모드에서 도관에 연결되어 사용후 전기화학 활성종을 함유하는 캐소드액을 상기 캐소드액 격실에 공급하는 것을 특징으로 하는 재생연료전지.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    수소를 저장하는 가압 가스 공급원 용기를 포함하며, 상기 가스 공급원은 상기 전력공급 모드에서 상기 애노드에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 재생연료전지.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가압 가스 공급원 용기는 상기 에너지 저장 모드에서 상기 애노드에 연결될 수 있어서 상기 에너지 저장 모드에서 생성된 수소를 수용하는 것을 특징으로 하는 재생연료전지.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 에너지 저장 모드에서 상기 애노드에 생성된 수소를 가압하여 상기 가압 가스 공급원 용기에 저장하는 적어도 하나의 압축기를 포함하고, 선택적으로 추가로 압축된 가스의 팽창의 결과로 전기를 공급하는 수소팽창-발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 재생연료전지.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막은 양성자 교환막인 것을 특징으로 하는 재생연료전지.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 막이 수소 이온 및 용매화된(solvated) 수소 이온에 투과성을 가진 것을 특징으로 하는 재생연료전지.
  12. a) 전력공급 모드에서 애노드 및 캐소드에 위치한 전기화학 활성종 (electrochemically active species)의 반응에 의하여 전력을 발생하고 b) 에너지 저장 모드에서 전력을 소비하여 상기 전기화학 활성종을 생성하는 재생 연료전지를 동작하는 방법으로서, 상기 재생 연료전지는
    애노드 격실(compartment)내의 가역 가능한 수소 가스 애노드;
    캐소드 격실내의 가역 가능한 캐소드; 및
    상기 애노드 격실을 상기 캐소드 격실로부터 분리하고 양성자들을 선택적으로 통과할 수 있는 막을 포함하고,
    상기 방법은
    전기화학 활성종을 상기 전력공급 모드에서 상기 애노드와 상기 캐소드에 공급하는 단계와,
    생성된 전기화학 활성종을 상기 에너지 저장 모드에서 상기 애노드로부터 멀리 그리고 상기 캐소드로부터 멀리 송출하는 단계를 포함하며,
    상기 애노드에서의 레독스(redox) 반응은
    Figure pct00017

    이고, 상기 캐소드에서의 레독스 반응은 다음 중 선택되는 것을 특징으로 하는 재생연료전지의 동작방법:
    Figure pct00018
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 캐소드에서의 상기 레독스 반응은,
    Figure pct00019
    인 것을 특징으로 하는 재생연료전지의 동작방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 재생연료전지는 제 1 항 내지 제 11항 중 어느 한 항의 재생 연료전지인 것을 특징으로 하는 재생연료전지의 동작방법.
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