KR20160017832A - 튜브형 고체산화물 이차전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 튜브형 고체산화물 이차전지에 관한 것이다.
Description
본 발명은 튜브형 고체산화물 이차전지에 관한 것이다.
고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: 이하, SOFC라 한다.)의 단위셀은 산소 이온 전도성을 갖는 전해질과 그 양면에 위치한 음극 및 양극으로 이루어져 있다. 각 전극에 산소와 수소를 각각 공급하면, 양극에서 산소의 환원반응을 통해 생성된 산소이온이 전해질을 지나 음극으로 이동한 다음 음극에 공급된 수소와 반응하여 물을 형성하게 된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 양극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르게 되므로 이를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 것이다.
상기 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 구성요소가 모두 고체의 형태로 구성되어 600℃ ~ 1000℃ 정도의 고온에서 작동하는 연료전지로서, 종래 여러 형태의 연료전지들 중 가장 효율이 높고 공해가 적을 뿐 아니라, 연료 개질기를 필요로 하지 않고 복합발전이 가능하다는 여러 장점을 지니고 있다. 상기 고체산화물 연료전지는 전기화학 반응을 역으로 진행시켜 고온 수전해장치(Solid Oxide Electrolyzer Cell, SOEC)로 이용될 수 있다.
한편, 이차전지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 외부의 회로에 전원을 공급하기도 하고, 방전되었을 때 외부의 전원을 공급받아 전기적 에너지를 화학적 에너지로 바꾸어 전기를 저장할 수 있는 전지로서, 일반적으로 축전지라고 부른다.
현재, 휴대전화 등의 휴대기기용 비수전해질 이차전지로서 박형 리튬이온 이차전지가 상용화되고 있다. 이 전지는 리튬코발트산화물(LiCoO2)을 포함하는 양극, 흑연질재료 또는 탄소질재료를 포함하는 음극, 리튬염이 용해된 유기용매로 이루어지는 액상의 비수전해질과 다공질막으로 이루어지는 세퍼레이터 및 원통형이나 각형의 금속캔으로 이루어지는 재킷을 구비하고 있다.
종래기술의 고체산화물 연료전지 및 고온수전해 장치가 방전 및 충전이 가능한 이차전지가 되기 위해서는 금속 및/또는 금속산화물을 포함해야 하는데 종래의 구조에서는 금속분말의 담지량 및 반응면적이 작아서 효율 및 용량에 한계가 있다는 문제가 있으며, 이로 인해 고체산화물 이차전지의 수명이 짧다는 문제가 있다.
이에, 본 발명은 금속 및/또는 금속산화물을 손쉽게 충진하고, 충진량을 최대화할 수 있고, 이차전지의 수명 연장에 우수한 고체산화물 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 충전 또는/및 방전의 반응면적이 넓고, 밀봉도 용이한 고체산화물 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 가스 공급 및 배기가 용이하며, 장치의 부품 숫자를 현저하게 줄이는 고체산화물 이차전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 튜브 형상의 전해질 지지체; 상기 튜브 형상의 전해질 지지체의 내벽에 위치하는 제 1전극; 상기 튜브 형상의 전해질 지지체의 외벽에 위치하는 제 2전극; 및 상기 튜브 형상의 전해질 지지체의 내부에 위치하는 금속 또는 금속 산화물;을 포함하는 튜브형 고체산화물 이차전지를 제공한다.
본 발명은 튜브 형상의 제 1전극 지지체; 상기 튜브 형상의 제 1전극 지지체의 외벽에 위치하는 전해질; 상기 전해질의 상면에 위치하는 제 2전극; 및 상기 튜브 형상의 제 1전극 지지체의 내부에 위치하는 금속 또는 금속 산화물;을 포함하는 튜브형 고체산화물 이차전지를 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 튜브 형상의 전해질 지지체 내부에 수소 또는 수증기를 공급하는 관 및 수소 또는 수증기를 배출하는 관을 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 튜브형 고체산화물 이차전지는 금속 충진량을 최대화할 수 있어, 이차전지의 수명 연장에 우수한 효과가 있다.
또한, 형태가 튜브형이라서 충전 또는 방전의 반응면적을 넓힐 수 있으며, 밀봉도 용이하다는 효과가 있다.
나아가, 가스 공급 및 배기가 용이하며, 장치의 부품 숫자가 현저하게 줄어든다는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브형 고체산화물 이차전지가 방전 중인 상태를 나타내는 모식도이다.
도 1b는 도 1a의 점선부분의 반응을 나타내는 반응흐름 모식도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브형 고체산화물 이차전지가 충전중인 상태를 나타내는 모식도이다.
도 2b는 도 2a의 점선부분의 반응을 나타내는 반응흐름 모식도이다.
도 1b는 도 1a의 점선부분의 반응을 나타내는 반응흐름 모식도이다.
도 2a는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브형 고체산화물 이차전지가 충전중인 상태를 나타내는 모식도이다.
도 2b는 도 2a의 점선부분의 반응을 나타내는 반응흐름 모식도이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다. 하기의 구체적 설명은 본 발명의 일 실시예에 대한 설명이므로, 비록 한정적 표현이 있더라도 특허청구범위로부터 정해지는 권리범위를 제한하는 것은 아니다.
종래기술의 고체산화물 연료전지 및 고온수전해 장치가 방전 및 충전이 가능한 이차전지가 되기 위해서는 금속 및/또는 금속산화물을 포함해야 하는데 종래의 구조에서는 금속분말의 담지량 및 반응면적이 작아서 효율 및 용량에 한계가 있다는 문제가 있으며, 이로 인해 고체산화물 이차전지의 수명이 짧다는 문제가 있다.
이에 본 발명자들은 고체산화물 이차전지의 형태를 튜브형으로 제작함으로서, 상기의 문제점이 해결된다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명은 튜브 형상의 전해질 지지체; 상기 튜브 형상의 전해질 지지체의 내벽에 위치하는 제 1전극; 상기 튜브 형상의 전해질 지지체의 외벽에 위치하는 제 2전극; 및 상기 튜브 형상의 전해질 지지체의 내부에 위치하는 금속 또는 금속 산화물;을 포함하는 튜브형 고체산화물 이차전지를 제공한다.
그리고 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 튜브 형상의 전해질 지지체 내부에 수소 또는 수증기를 공급하는 관 및 수소 또는 수증기를 배출하는 관을 추가로 포함하는 튜브형 고체산화물 이차전지를 제공할 수 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 튜브형 고체산화물 이차전지가 방전 중인 상태를 나타내는 모식도이며, 도 1b는 도 1a의 점선부분의 반응을 나타내는 반응흐름 모식도이다. 그리고 도 2a는 본 발명에 따른 튜브형 고체산화물 이차전지가 충전 중인 상태를 나타내는 모식도이며, 도 2b는 도 2a의 점선부분의 반응을 나타내는 반응흐름 모식도이다.
도 1a 및 도 1b와 도 2a 및 도 2b에 예시된 경우에 있어서, 튜브 형상의 전해질 지지체(11, 21)와 상기 튜브 형상의 전해질 지지체의 내벽에 위치하는 제 1전극(12, 22); 상기 튜브 형상의 전해질 지지체의 외벽에 위치하는 제 2전극(13, 23); 및 상기 튜브 형상의 전해질 지지체의 내부에 위치하는 금속(14b, 24a) 및/또는 금속 산화물(14a, 24b);을 포함하고, 도 1에는 상기 튜브 형상의 전해질 지지체 내부에 수소를 공급하는 관(15) 및 수증기를 배출하는 관(16)을 포함하고 있으며, 도 2는 상기 튜브 형상의 전해질 지지체 내부에 수증기를 공급하는 관(25) 및 수소를 배출하는 관(26)을 포함한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 제 1전극에 수소 또는 수증기를 공급하는 장치를 포함하고, 제 2전극에 산소 또는 공기를 공급하는 장치를 포함할 수 있다.
하기에는 각 구성에 대해 도면을 참고하여 설명한다.
먼저 튜브 형상의 전해질 지지체(11,21)에 대해 설명한다.
본 발명의 전해질은 이차전지의 반응에서 산소이온의 이동통로 역할을 하며, 상기 전해질의 형태가 튜브형상으로 되면서 이차전지의 지지체 역할도 함께할 수 있다.
상기 전해질 지지체에서 전해질은 고체산화물 연료전지에서 통상적으로 사용가능 한 것은 무방하며, 바람직하게는 지르코니아(zirconia)계, 세리아계, 비스무스트(bismuth)계 및 LaGaO3계에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 예컨대 YSZ, GDC 및 LSGM일 수 있다.
또한, 상기 전해질을 종래의 연료전지 공정을 활용하여 제조함으로써, 튜브형상이 가능하고, 이와 같이 전해질 지지체가 튜브 형상을 가짐으로써, 지지체 내부에 위치하는 금속 또는 금속 산화물을 손쉽게 충진할 수 있고, 그 양을 최대화 할 수 있으며, 이 뿐만 아니라, 반응면적을 넓힐 수도 있다.
나아가, 가스 공급 및 배기가 용이하며, 장치의 부품 숫자가 현저하게 줄어든다는 효과가 있다.
다음 튜브 형상의 전해질 지지체의 내벽에 위치하는 제 1전극(12,22)에 대해 설명한다.
본 발명의 제 1전극은 방전 중에는 공급되는 수소가 전자를 배출하는 역할을 하며, 도 1b의 반응 흐름 모식도와 같이 나타날 수 있으며, 관련 반응식은 하기 반응식 1과 같다.
도 1b는 도 1a의 방전 중의 점선부분의 반응을 나타내는 반응 흐름 모식도이다.
[반응식 1]
그리고 충전 중에 제 1전극에서는 물이 전자를 받아 수소로 분해 되는 반응을 수행하며, 도 2b의 반응흐름 모식도와 같이 나타날 수 있으며, 관련 반응식은 하기 반응식 2와 같다.
도 2b는 도 2a의 점선부분의 반응을 나타내는 반응 흐름 모식도이다.
[반응식 2]
상기 제 1전극은 사용 가능한 것이면 무엇이든 무방하고, 예컨대 NiO; NiO 및 YSZ의 혼합물; NiO 및 GDC(Gd-doped CeO2)의 혼합물 및 산화환원 반응에 안정한 귀금속; 중 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 상기 귀금속은 Pt이 바람직할 수 있다.
다음 튜브 형상의 전해질 지지체의 외벽에 위치하는 제 2전극(13, 23)에 대해 설명한다.
본 발명의 제 2전극은 방전 중에는 공급되는 산소 또는 공기에 의한 산소의 환원반응을 수행하고, 반응흐름도는 도 1b에 나타내었고, 관련 반응식은 하기 반응식 3 과 같다.
[반응식 3]
그리고 충전 중에는 산소이온의 산화반응에 의해 산소를 방출하는 반응을 수행하며, 반응흐름도는 도 2b와 같을 수 있고, 관련 반응식은 하기 반응식 4와 같다.
[반응식 4]
상기 제 2전극은 통상적으로 사용되는 것이면 무방하고, 예컨대 LSM, LSC, LSCF, LSCF-GDC 및 산화환원 반응에 안정한 귀금속 중 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 상기 귀금속은 Pt이 바람직할 수 있다.
다음으로, 상기 튜브 형상의 전해질 지지체 또는 제 1전극 지지체의 내부에 위치하는 금속(14b, 24a) 및/또는 금속 산화물(14a, 24b)에 대해 설명한다.
본 발명의 금속 또는 금속산화물은 튜브형 고체산화물 이차전지에서 산화 환원 반응에 의해 에너지를 저장 및 방출하는 역할을 한다. 방전 반응시에는 충진된 금속(14b)이 제 1전극에서 생성되는 수증기에 의해 금속산화물(14a)이 되면서 전자의 흐름이 생성된다. 그리고 충진되어 있는 모든 금속이 금속산화물로 변화할 때까지 방전이 되며, 반응흐름도는 도 1b와 같을 수 있고, 관련 반응식은 하기 반응식 5와 같다.
[반응식 5]
한편, 충전 반응시에는 상기 방전반응과는 반대로, 충진된 금속산화물(24b)이 제1전극에서 발생하는 수소에 의해 금속(24a)으로 환원이 되고, 모든 금속산화물이 금속이 될 때까지 충전이 된다. 그리고 반응흐름도는 도 2b와 같을 수 있고, 관련 반응식은 하기 반응식 6과 같다.
[반응식 6]
그리고 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 금속은 통상적으로 산화, 환원반응이 가역적으로 사용가능한 금속이면 무방하고, 예컨대 Ni, Fe 등이 있다.
또한 본 발명의 다른 태양은 튜브 형상의 제 1전극 지지체; 상기 튜브 형상의 제 1전극 지지체의 외벽에 위치하는 전해질; 상기 전해질의 상면에 위치하는 제 2전극; 및 상기 튜브 형상의 제 1전극 지지체의 내부에 위치하는 금속 및/또는 금속 산화물;을 포함하는 튜브형 고체산화물 이차전지를 제공하고, 그리고 본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 튜브 형상의 전해질 지지체 내부에 수소 또는 수증기를 공급하는 관 및 수소 또는 수증기를 배출하는 관을 추가로 포함하는 튜브형 고체산화물 이차전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 제 1전극에 수소 또는 수증기를 공급하는 장치를 포함하고, 제 2전극에 산소 또는 공기를 공급하는 장치를 포함할 수 있다.
상기 각 구성을 이루는 제 1전극, 전해질, 제 2전극, 금속 또는 금속산화물, 수소 또는 수증기를 공급하는 관 및 수소 또는 수증기를 배출하는 관은 상기에 기재된 설명과 동일할 수 있다.
결론적으로 본 발명의 튜브형 고체산화물 이차전지는 튜브 형상의 지지체를 제공함으로써, 금속 충진량을 최대화 할 수 있어, 이차전지의 수명 연장에 우수한 효과가 있다. 또한, 형태가 튜브형이라서 충전 또는 방전의 반응면적을 넓힐 수 있으며, 밀봉도 용이하다는 효과가 있다.
나아가, 가스 공급 및 배기가 용이하며, 장치의 부품 숫자가 현저하게 줄어든다는 효과가 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능함은 물론이고, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 튜브형 고체산화물 이차전지 11 : 전해질 지지체
12 : 제 1전극 13 : 제 2전극
14 : 금속 또는 금속산화물 14a : 금속산화물
14b : 금속 15 : 수소를 공급하는 관
16 : 수증기를 배출하는 관 20 : 튜브형 고체산화물 이차전지
21 : 전해질 지지체 22 : 제 1전극
23 : 제 2전극 24 : 금속 또는 금속산화물
24a : 금속 24b : 금속산화물
25 : 수증기를 공급하는 관 26 : 수소를 배출하는 관
12 : 제 1전극 13 : 제 2전극
14 : 금속 또는 금속산화물 14a : 금속산화물
14b : 금속 15 : 수소를 공급하는 관
16 : 수증기를 배출하는 관 20 : 튜브형 고체산화물 이차전지
21 : 전해질 지지체 22 : 제 1전극
23 : 제 2전극 24 : 금속 또는 금속산화물
24a : 금속 24b : 금속산화물
25 : 수증기를 공급하는 관 26 : 수소를 배출하는 관
Claims (8)
- 튜브 형상의 전해질 지지체;
상기 튜브 형상의 전해질 지지체의 내벽에 위치하는 제 1전극;
상기 튜브 형상의 전해질 지지체의 외벽에 위치하는 제 2전극; 및
상기 튜브 형상의 전해질 지지체의 내부에 위치하는 금속 또는 금속 산화물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물 이차전지. - 튜브 형상의 제 1전극 지지체;
상기 튜브 형상의 제 1전극 지지체의 외벽에 위치하는 전해질;
상기 전해질의 상면에 위치하는 제 2전극; 및
상기 튜브 형상의 제 1전극 지지체의 내부에 위치하는 금속 또는 금속 산화물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물 이차전지. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 튜브 형상의 전해질 지지체 내부에 수소 또는 수증기를 공급하는 관 및
수소 또는 수증기를 배출하는 관을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물 이차전지. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제 1전극은 NiO; NiO 및 YSZ의 혼합물; NiO 및 GDC(Gd-doped CeO2)의 혼합물; 및 산화환원 반응에 안정한 귀금속; 중 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물 이차전지. - 청구항 4에 있어서,
상기 귀금속은 Pt 인 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물 이차전지. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제 2전극은 LSM, LSC, LSCF, LSCF-GDC 및 산화환원 반응에 안정한 귀금속 중 선택되는 1종 이상 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물 이차전지. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제 1전극 및 제 2전극은 각각이 다공성인 것을 특징으로 튜브형 고체산화물 이차전지. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제 1전극에 수소 또는 수증기를 공급하는 장치를 포함하고,
제 2전극에 산소 또는 공기를 공급하는 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브형 고체산화물 이차전지.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020140101049A KR20160017832A (ko) | 2014-08-06 | 2014-08-06 | 튜브형 고체산화물 이차전지 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020140101049A KR20160017832A (ko) | 2014-08-06 | 2014-08-06 | 튜브형 고체산화물 이차전지 |
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2015
- 2015-08-05 US US14/818,688 patent/US20160043410A1/en not_active Abandoned
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| US20160043410A1 (en) | 2016-02-11 |
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