KR20160054821A - 하이브리드 전기화학셀 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

고체 산화물셀의 가역 반응을 이용한 하이브리드 전기화학셀 및 그 제어 방법을 제공한다. 하이브리드 전기화학셀은 i) 전력을 생성하도록 적용된 고체산화물셀, ii) 고체산화물셀로부터 배출된 수소와 일산화탄소를 저장하고, 수소 및 일산화탄소를 고체산화물셀에 공급하도록 적용된 제1 저장조, iii) 고체산화물셀로부터 배출된 스팀과 이산화탄소를 저장하고, 스팀 및 이산화탄소를 고체산화물셀에 공급하도록 적용된 제2 저장조, iv) 제1 저장조 및 제2 저장조와 고체산화물셀을 상호 연결하는 제1 연결관, v) 제1 저장조 및 제2 저장조와 고체산화물셀을 상호 연결하는 제2 연결관, vi) 고체산화물셀과 연결된 방전 단자, vii) 고체산화물셀과 연결되고, 고체산화물셀을 사이에 두고 방전 단자와 이격된 충전 단자 및 viii) 고체산화물셀과 고체산화물셀의 배열 방향을 따라 길게 뻗어서 방전 단자 및 충전 단자에 연결되고, 방전 단자 및 충전 단자 중 하나의 단자를 이동시켜서 외부와 전기적으로 연결되도록 적용된 모드 컨버터를 포함한다.

Description

하이브리드 전기화학셀 및 그 제어 방법 {SECONDARY CELL AND METHOD FOR CONTROLLING THE SAME}
본 발명은 하이브리드 전기화학셀 및 그 제어 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 고체 산화물셀의 가역 반응을 이용한 하이브리드 전기화학셀 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 포터블 기기의 발전으로 인하여 포터블 기기에 이차 전지가 많이 사용되고 있다. 가장 많이 사용되는 이차 전지로는 리튬이온전지를 예로 들 수 있다. 리튬이온전지의 한 전극에는 리튬코발트 산화물을 사용하고, 다른 전극에는 흑연을 사용하며, 각 전극은 층상 구조를 가진다. 리튬 이온은 층간을 출입하면서 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 외부에 공급하거나 외부로부터 전기에너지를 공급받아 이를 화학에너지로서 이차 전지의 내부에 저장한다.
그러나 이차 전지는 전기 충전시 에너지 저장 밀도가 낮다. 따라서 낮은 에너지 밀도로 인하여 이차 전지의 부피가 커져야 하고, 이에 따라 이차 전지의 무게도 크게 증가하는 문제점이 있다. 또한, 고전압 및 고전류를 생성하기 위해서 여러 개의 이차 전지들을 연결해야 한다.
고체 산화물셀의 가역 반응을 이용한 하이브리드 전기화학셀을 제공하고자 한다. 또한, 전술한 하이브리드 전기화학셀의 제어 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기화학셀은 i) 전력을 생성하도록 적용된 고체산화물셀, ii) 고체산화물셀로부터 배출된 수소와 일산화탄소를 저장하고, 수소 및 일산화탄소를 고체산화물셀에 공급하도록 적용된 제1 저장조, iii) 고체산화물셀로부터 배출된 스팀과 이산화탄소를 저장하고, 스팀 및 이산화탄소를 고체산화물셀에 공급하도록 적용된 제2 저장조, iv) 제1 저장조 및 제2 저장조와 고체산화물셀을 상호 연결하는 제1 연결관, v) 제1 저장조 및 제2 저장조와 고체산화물셀을 상호 연결하는 제2 연결관, vi) 고체산화물셀과 연결된 방전 단자, vii) 고체산화물셀과 연결되고, 고체산화물셀을 사이에 두고 방전 단자와 이격된 충전 단자 및 viii) 고체산화물셀과 고체산화물셀의 배열 방향을 따라 길게 뻗어서 방전 단자 및 충전 단자에 연결되고, 방전 단자 및 충전 단자 중 하나의 단자를 이동시켜서 외부와 전기적으로 연결되도록 적용된 모드 컨버터(mode converter)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기화학셀은 고체산화물셀, 제1 저장조 및 제2 저장조를 수용하는 케이싱을 더 포함할 수 있다. 방전 단자, 충전 단자, 및 모드 컨버터는 각각 케이싱에 형성된 개구부들을 통하여 외부로 부분 노출될 수 있도록 적용될 수 있다. 방전 단자는, i) 모드 컨버터가 뻗은 방향과 교차하는 방향으로 뻗어서 모드 컨버터와 연결된 제1 방전 단자부, 및 ii) 제1 방전 단자부와 연결되고, 모드 컨버터가 뻗은 방향과 평행한 방향으로 뻗고, 개구부들을 통하여 케이싱을 출입하는 제2 방전 단자부를 포함할 수 있다. 충전 단자는, i) 모드 컨버터가 뻗은 방향과 교차하는 방향으로 뻗어서 모드 컨버터와 연결된 제1 충전 단자부, 및 ii) 제1 충전 단자부와 연결되고, 모드 컨버터가 뻗은 방향과 평행한 방향으로 뻗고, 개구부들을 통하여 케이싱을 출입하는 제2 충전 단자부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기화학셀은 i) 제1 연결관에 설치되어 제1 연결관을 개폐하는 제1 밸브, ii) 제2 연결관에 설치되어 제2 연결관을 개폐하는 제2 밸브, 및 iii) 모드 컨버터의 양단에 각각 위치하는 제1 스위치 및 제2 스위치를 더 포함할 수 있다. 모드 컨버터의 작동에 따라 모드 컨버터가 제1 스위치 및 제2 스위치 중 어느 한 스위치와 전기적으로 연결되도록 적용되고, 제1 스위치는 제1 밸브에 전기적으로 연결되며, 제2 스위치는 제2 밸브에 전기적으로 연결될 수 있다. 모드 컨버터는, i) 제1 스위치 및 제2 스위치 사이에 위치하여 제1 스위치 및 제2 스위치 중 어느 한 스위치와 연결되도록 적용되고, 충전 단자와 방전 단자를 상호 연결하는 방향으로 길게 뻗은 제1 모드 전환부, 및 ii) 제1 모드 전환부가 뻗은 방향와 교차하는 방향으로 뻗어서 개구부들 중 어느 한 개구부를 통하여 외부 노출된 제2 모드 전환부를 포함할 수 있다. 고체산화물셀은, i) 금속 촉매와 페로브스카이트를 포함하는 연료극, ii) 연료극과 접하고, 이트륨 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia)를 포함하는 전해질, 및 iii) 전해질과 접하고, 페로브스카이트를 포함하는 공기극을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기화학셀의 제어 방법은, i) 전술한 하이브리드 전기화학셀을 제공하는 단계, ii) 모드 컨버터를 방전 단자측으로 이동시키는 단계, iii) 모드 컨버터가 제1 스위치와 접촉하는 단계, iv) 제1 스위치에 의해 제1 밸브가 오픈되어 제1 저장조의 수소 및 일산화탄소가 고체산화물셀에 공급되는 단계, v) 고체산화물셀에서 전력이 생성되고, 고체산화물셀이 스팀 및 이산화탄소를 배출하여 제2 저장조에 공급하는 단계, 및 vi) 고체산화물셀과 연결된 방전 단자가 외부 노출되어 전력을 외부에 공급하는 단계를 포함한다. 모드 컨버터가 제1 스위치와 접촉하는 단계에서, 모드 컨버터는 제2 스위치와 비접촉하고, 제2 밸브는 닫힌 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 하이브리드 전기화학셀의 제어 방법은, i) 전술한 하이브리드 전기화학셀을 제공하는 단계, ii) 모드 컨버터를 충전 단자측으로 이동시키는 단계, iii) 모드 컨버터가 제2 스위치와 접촉하는 단계, iv) 제2 스위치에 의해 제2 밸브가 오픈되어 제2 저장조의 스팀 및 이산화탄소가 고체산화물셀에 공급되는 단계, 및 v) 고체산화물셀과 연결된 충전 단자가 외부 노출되어 외부로부터 전력을 공급받고, 스팀 및 이산화탄소를 전력에 의해 전기 분해한 수소 및 일산화탄소를 배출하여 제1 저장조에 공급하는 단계를 포함한다. 모드 컨버터가 제2 스위치와 접촉하는 단계에서, 모드 컨버터는 제1 스위치와 비접촉하고, 제1 밸브는 닫힌 상태를 유지할 수 있다.
높은 효율과 높은 밀도를 가지는 소형의 경량화된 하이브리드 전기화학셀을 제조할 수 있다. 또한, 높은 에너지 변환 효율과 에너지 저장 밀도를 가지는 고체 산화물셀을 이용하여 충방전 효율이 높은 하이브리드 전기화학셀을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기화학셀의 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 IIII선을 따라 자른 하이브리드 전기화학셀의 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1의 하이브리드 전기화학셀에 포함된 고체산화물셀의 개략적인 사시도이다.
도 4 및 도 5는 각각 도 2의 하이브리드 전기화학셀의 개략적인 작동 상태도이다.
어느 부분이 다른 부분의 "위에" 있다고 언급하는 경우, 이는 바로 다른 부분의 위에 있을 수 있거나 그 사이에 다른 부분이 수반될 수 있다. 대조적으로 어느 부분이 다른 부분의 "바로 위에" 있다고 언급하는 경우, 그 사이에 다른 부분이 개재되지 않는다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
"아래", "위" 등의 상대적인 공간을 나타내는 용어는 도면에서 도시된 한 부분의 다른 부분에 대한 관계를 좀더 쉽게 설명하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 용어들은 도면에서 의도한 의미와 함께 사용중인 장치의 다른 의미나 동작을 포함하도록 의도된다.
예를 들면, 도면 중의 장치를 뒤집으면, 다른 부분들의 "아래"에 있는 것으로 설명된 어느 부분들은 다른 부분들의 "위"에 있는 것으로 설명된다. 따라서 "아래"라는 예시적인 용어는 위와 아래 방향을 전부 포함한다. 장치는 90° 회전 또는 다른 각도로 회전할 수 있고, 상대적인 공간을 나타내는 용어도 이에 따라서 해석된다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서 사용하는 "하이브리드 전기화학셀"은 충전 및 방전을 반복할 수 있는 모든 전지를 포함하는 것으로 해석된다. 즉, 이차 전지의 기능을 포괄적으로 포함하는 것으로 해석된다.
또한, 이하에서 사용하는 "고체산화물셀(solid oxide cell, SOC)"이라는 용어는 고체산화물의 전기화학반응을 통하여 전기적 또는 화학적 에너지를 생산하는 모든 장치들을 의미한다. 따라서, 고체산화물셀은 연료전지 등의 전기 에너지를 생산하는 장치뿐만 아니라 전기화학셀 등 전기화학반응을 통하여 연료가스 등의 화학 에너지를 생산하는 장치를 모두 포함하는 것으로 해석된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기화학셀(100)을 개략적으로 나타낸다. 도 1의 하이브리드 전기화학셀(100)의 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리드 전기화학셀(100)의 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 하이브리드 전기화학셀(100)은 모드 컨버터(40)와 케이싱(90)을 포함한다. 모드 컨버터(40)는 케이싱(90) 내에 포함된다. 케이싱(90)에는 개구부들(901, 903, 905)이 형성된다. 모드 컨버터(40)는 개구부(905)를 통하여 외부에 노출된다. 그 결과, 화살표 방향, 즉 x축 방향을 따라 모드 컨버터(40)를 조작하여 케이싱(90) 내부에 포함된 고체산화물셀(10)(도 2에 도시, 이하 동일)을 이용해 다양한 모드를 구현할 수 있다. 여기서, 모드 컨버터(40)는 직접 작동시키거나 기계 또는 전자기기 등을 이용하여 간접적으로 구동시킬 수 있다.
한편, 고체산화물셀(10)을 외부 전원과 연결시키는 방전 단자(50)(도 2에 도시, 이하 동일)와 충전 단자(52)(도 2에 도시, 이하 동일)를 케이싱(90)에서 입출시킬 필요가 있다. 따라서 개구부들(901, 903)을 통하여 방전 단자(50)와 충전 단자(52)를 입출시킨다. 한편, 도 1에는 도시하지 않았지만 고체산화물셀(10)이 연료 전지로서 작동하는 경우, 공기극에 산소를 공급할 필요가 있으므로, 케이싱(90)이 산소 공급기와 연결되어 수동적으로 산소를 공급하거나 케이싱(90)에 또다른 다수의 개구부들이 형성되어 외부와 연통되어 능동적으로 산소를 공급할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 개구부들(901, 903)은 x축 방향을 따라 상호 이격되어 케이싱(90)의 양측면에 형성된다. 여기서, 개구부들(901)과 개구부들(903)은 상호 이격되어 마주한다. 이하에서는 도 2를 통하여 도 1의 하이브리드 전기화학셀(100)의 내부 구조를 좀더 상세하게 설명한다.
도 2는 도 1의 IIII선을 따라 자른 하이브리드 전기화학셀(100)의 내부 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 2의 하이브리드 전기화학셀(100)의 내부 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 하이브리드 전기화학셀(100)의 내부 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 하이브리드 전기화학셀(100)은 고체산화물셀(10), 저장조들(30, 32), 모드 컨버터(40), 방전 단자(50), 충전 단자(52), 연결관들(60, 62), 스위치들(70, 72) 및 케이싱(90)을 포함한다. 이외에, 하이브리드 전기화학셀(100)은 다른 부품들을 더 포함할 수 있다.
고체산화물셀(10)은 제1 저장조(30)로부터 수소 및 일산화탄소를 공급받는다. 고체산화물셀(10)은 수소와 일산화탄소를 이용하여 전력을 생성한다. 한편, 고체산화물셀(10)은 제2 저장조(32)로부터도 스팀과 이산화탄소를 공급받아 이를 연료로서 이용하여 수소와 일산화탄소를 제조할 수 있다. 이러한 고체산화물셀(10)의 구조를 도 3을 통하여 좀더 상세하게 설명한다.
도 3은 도 1의 하이브리드 전기화학셀(100)에 포함된 고체산화물셀(10)을 개략적으로 나타내고, 도 3의 확대원에는 셀유닛(105)의 단면 구조를 확대하여 나타낸다. 도 3의 고체산화물셀(10)은 가역 반응이 가능하므로, 연료 전지 또는 전기화학셀로 모두 사용할 수 있다. 따라서 가역 반응에 적합한 소재를 사용하여 고체산화물셀(10)을 제조한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 고체산화물셀(10)은 밀봉재(101), 접속자(interconnect)(103) 및 셀유닛(105)을 포함한다. 이외에, 필요에 따라 고체산화물셀(10)은 다른 부품들을 더 포함할 수 있다. 셀유닛(105)에는 연료측에 수소와 일산화탄소 등을 유입시켜 스팀과 이산화탄소로 변환한 후 외부로 배출시키면서 전력을 생성할 수 있다. 반대로, 셀유닛(105)의 연료측으로 스팀과 이산화탄소를 유입시켜 수소와 일산화탄소로 변환한 후 외부로 배출시킬 수 있다. 따라서 수소와 일산화탄소를 이용해 합성 가스를 제조할 수 있다.
좀더 구체적으로, 도 3의 확대원에 도시한 바와 같이, 셀유닛(105)은 공기극(1051), 전해질(1053) 및 연료극(1055) 등의 부품들을 포함하고, 이들 부품들은 상호 차례로 적층된다. 공기극(1501)과 연료극(1055)은 지지체를 포함할 수 있다. 예를 들면, 셀유닛(105)을 전기분해 등 전기적 에너지 및 화학적 에너지의 상호 교환을 위해 사용할 수 있다. 연료극(1055)을 통하여 연료 가스가 공급될 수 있고, 공기극(1051)에는 산소가 공급될 수 있다. 이 경우, 전해질(1053)로서 산소 이온의 이동이 용이하고 전극 소재와의 화학 반응을 최소화할 수 있는 물질을 사용할 수 있다. 한편, 연료극(1055)은 촉매를 포함할 수 있다. 도 3의 고체산화물셀(10)을 연료 전지로서 사용하는 경우, 연료극(1055)으로 공급된 일산화탄소와 수소는 셀유닛(105)에서 스팀과 이산화탄소로 변환된 후 배출된다. 또한, 도 3의 고체산화물셀(10)을 전기화학셀로 사용하는 경우,연료극(1055)으로 공급된 스팀과 이산화탄소는 셀유닛(105)에서 수소와 일산화탄소로 변환된 후 배출된다.
각 부품들의 소재들을 좀더 상세하게 설명하면, 연료극(1055)은 다공성 구조로 형성되고, 페로브스카이트(perovskite), 금속 촉매 및 서멧(cermet) 등을 포함한다. 연료극(1055) 금속 촉매 물질로는 Ni, Fe, Ti, Cu, Zn, Mo 등의 전이금속과 Ir, Ru, Pt, Pd, Rh, Au, Ag 등의 귀금속을 포함할 수 있다. 또한, 이들 금속 촉매는 세라믹 소재 지지체와 결합하여 서멧(cermet) 구조를 이룰 수 있다. 좀더 바람직하게는, 연료극(1055)은 페로브스카이트를 포함할 수 있다. 공기극(1051)은 란타늄 스트론튬 코발타이트(lanthanum strontium cobaltite), 란타늄 스트론튬 코발트 퍼라이트(lanthanum strontium cobalt ferrite) 등의 페로브스카이트를 포함할 수 있다. 좀더 바람직하게는, 공기극(1051)은 페로브스카이트를 포함할 수 있다. 한편, 전해질(1053)은 이트륨 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia), 가돌리늄 도핑 세리아(gadolinium doped ceria), 세리아 지르코니아 산화물(ceria zirconia oxide) 등의 세라믹 소재 시트로 형성할 수 있다. 전해질과(1053)과 공기극(1051) 사이에는 가돌리늄 도핑 세리아 등으로 중간층을 형성할 수 있다.
셀유닛(105)은 연료를 생성하거나 연료를 소비하여 전력을 생성하는 가역 반응을 일으킨다. 따라서 고체산화물셀(10)이 연료 전지로서 작동하는 경우, 연료극(1055)을 통하여 수소와 일산화탄소가 유입되면서 공기극(1051)으로부터 전해질(1053)을 통해 이동한 산소 이온과의 산화 반응에 의해 전력이 생성된다. 반대로, 고체산화물셀(10)이 전기분해셀로서 작동하는 경우, 연료극(1055)을 통하여 스팀과 이산화탄소가 유입되고 셀유닛(105)에서의 이들의 환원 반응에 의해 산소이온이 연료극(1055)에서 공기극(1051)로 전해질(1053)을 통해 이동하고, 연료극(1055)에서는 생성된 연료인 일산화탄소와 수소가 연료극(1055)을 통하여 배출된다. 즉, 고체산화물셀(10)을 연료 전지 또는 전기분해셀로 이용하여 높은 에너지 변환 효율을 구현할 수 있다.
한편, 복수의 스택들을 적층하여 대용량의 고체산화물셀(10)을 제조하기 위하여 접속자(103)를 이용한다. 접속자(103)는 셀유닛(105)의 상부에 부착되는 상부 접속자와 셀유닛(105)의 하부에 부착되는 하부 접속자를 포함한다. 또한, 접속자들(103)을 부착하여 스택을 구성하도록 밀봉재(101)를 도포하여 접속자들(103)을 상호 연결한다. 밀봉재(101)는 접속자들(103)과 셀유닛(105)을 부착하기 위해서 사용한다. 밀봉재(101)는 연료와 공기가 서로 혼합되지 않도록 기밀 역할을 수행한다.
다시 도 2로 되돌아가면, 저장조들(30, 32)은 제1 저장조(30)와 제2 저장조(32)를 포함한다. 제1 저장조(30)와 제2 저장조(32)는 고체산화물셀(10)과 이웃하여 위치한다. 여기서, 제1 저장조(30)는 고압으로 유지되면서 수소와 일산화탄소를 저장하고, 제2 저장조(32)는 고압으로 유지되면서 스팀과 이산화탄소를 저장한다. 제1 연결관(60)과 제2 연결관(62)은 제1 저장조(30) 및 제2 저장조(32)와 고체산화물셀(10)를 상호 연결한다. 제1 연결관(60)과 제2 연결관(62)은 고체산화물셀(10)의연료극(1055) (도 2에 도시)에 각각 연결된다. 따라서 제1 연결관(60)을 통하여 제1 저장조(30) 내의 수소 및 일산화탄소를 고체산화물셀(10)에 공급할 수 있고, 제2 연결관(62)을 통하여 제2 저장조(32) 내의 스팀 및 이산화탄소를 고체산화물셀(10)에 공급할 수 있다. 전술한 방법으로 고체산화물셀(10)에서 가역 반응을 구현함으로써 고효율 및 고밀도의 하이브리드 전기화학셀(100)을 구현할 수 있다. 즉, 고체산화물셀(10)를 이용하여 전력을 생성하여 외부에 공급하거나 고체산화물셀(10)의 전기 분해를 통하여 고체산화물셀(10)의 작동에 필요한 연료를 충전할 수 있다. 즉, 우수한 에너지 변환 효율과 높은 에너지 저장 밀도를 함께 가지는 고체산화물셀(10)을 이용하여 에너지 효율을 극대화한 하이브리드 전기화학셀을 제조할 수 있다. 예를 들면, 고체산화물셀(10)이 연료전지로 작동할 때는 에너지 변환 효율은 약 60% 이상일 수 있으며, 높은 출력을 유지할 수 있다. 또한, 고체산화물셀(10)은 전기에너지를 공급받아 화학에너지로 변환하므로 에너지 저장 밀도를 일반적인 이차전지에 비해 크게 높일 수 있다. 예를 들면, 알카라인 전지의 5배, 니켈카드뮴 전지의 10배 내지 30배, 리튬이온전지의 2배 내지 5배 정도로 에너지 밀도를 높일 수 있다. 일반적인 이차전지는 하나의 이차전지 내부의 화학물질이 충전 및 방전을 반복하므로, 소재의 수명이 단축되어 그 성능이 저하될 수 있다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 전기화학셀(100)에서는 가역 반응이 가능한 고체산화물셀(10)이 방전 기능 및 충전 기능을 함께 구현하여 에너지 효율면에서 우수한 이점이 있다.
한편, 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 연결관(60)과 제2 연결관(62)에는 각각 제1 밸브(601)와 제2 밸브(621)가 설치된다. 제1 밸브(601)는 제1 연결관(60)에 설치되어 제1 연결관(60)을 개폐하고, 제2 밸브(621)는 제2 연결관(62)에 설치되어 제2 연결관(62)을 개폐한다. 하이브리드 전기화학셀(100)은 스위치들(70, 72)을 포함하고, 스위치들(70, 72)은 제1 스위치(70)와 제2 스위치(72)를 포함한다. 도 2에는 도시하지 않았지만, 제1 밸브(601)와 제2 밸브(623)는 각각 제1 스위치(70)와 제2 스위치(72)와 연결된다. 따라서 제1 스위치(70)와 제2 스위치(72)의 작동에 따라 각각 제1 밸브(601)와 제2 밸브(623)가 개폐된다. 제1 스위치(70)와 제2 스위치(72)와 제1 밸브(601)와 제2 밸브(623)의 연결 및 동작 구조는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
방전 단자(50)는 고체산화물셀(10)을 사이에 두고 충전 단자(52)와 이격되어 위치한다. 즉, 방전 단자(50)와 충전 단자(52)의 사이에 고체산화물셀(10)이 위치하고, 방전 단자(50)는 고체산화물셀(10)에 전기적으로 연결된다. 따라서 방전 단자(50)는 외부와 연결되어 고체산화물셀(10)에서 생성되는 전력을 공급할 수 있다. 이를 위하여 방전 단자(50)는 제1 방전 단자부(501) 및 제2 방전 단자부(503)를 포함한다. 제1 방전 단자부(501)는 z축 방향, 즉, 모드 컨버터(40)가 뻗은 방향과 교차하는 방향으로 뻗어 있다. 제1 방전 단자부(501)는 모드 컨버터(40)와 기계적으로 연결되어 모드 컨버터(40)의 작동에 따라 함께 움직인다. 또한, 제2 방전 단자부(503)는 x축 방향, 즉 모드 컨버터(40)가 뻗은 방향을 따라 뻗어 있고, 개구부들(901)을 통하여 케이싱(90) 외부로 돌출되거나 케이싱(90) 내부로 인입될 수 있다. 즉, 제2 방전 단자부(503)는 개구부들(901, 903)을 통하여 케이싱(90)을 출입할 수 있다.
한편, 충전 단자(52)는 고체산화물셀(10)을 사이에 두고 방전 단자(50)와 이격되어 위치한다. 즉, 충전 단자(52)와 방전 단자(50)의 사이에 고체산화물셀(10)이 위치하고, 충전 단자(52)는 고체산화물셀(10)에 전기적으로 연결된다. 따라서 충전 단자(52)는 외부와 연결되어 고체산화물셀(10)에 전력을 공급할 수 있다. 이를 위하여 충전 단자(52)는 제1 충전 단자부(521) 및 제2 충전 단자부(523)를 포함한다. 제1 충전 단자부(521)는 z축 방향, 즉, 모드 컨버터(40)가 뻗은 방향과 교차하는 방향으로 뻗어 있다. 제1 충전 단자부(521)는 모드 컨버터(40)와 기계적으로 연결되어 모드 컨버터(40)의 작동에 따라 함께 움직인다. 또한, 제2 충전 단자부(523)는 x축 방향, 즉 모드 컨버터(40)가 뻗은 방향을 따라 뻗어 있고, 개구부들(903)을 통하여 케이싱(90) 외부로 돌출되거나 케이싱(90) 내부로 인입될 수 있다. 즉, 제2 충전 단자부(523)는 개구부들(903)을 통하여 케이싱(90)을 출입할 수 있다.
모드 컨버터(40)는 x축 방향, 즉 고체산화물셀(10)이 길게 뻗은 방향을 따라 길게 뻗어 있다. 모드 컨버터(40)는 방전 단자(50) 및 충전 단자(52)에 각각 연결된다. 따라서 모드 컨버터(40)는 x축 방향을 따라 이동하면서 방전 단자(50) 또는 충전 단자(52)를 케이싱(90) 외부로 돌출시켜서 외부와 전기적으로 연결시킨다. 한편, 도 2에는 도시하지 않았지만 모드 컨버터(40)의 안정적인 이동을 위한 가이드 레일 등이 케이싱(90) 내부에 설치된다. 따라서 모드 컨버터(40)를 안정적으로 작동시켜서 하이브리드 전기화학셀(100)을 동작시킬 수 있다. 모드 컨버터(40)의 안정적인 이동을 위한 상세 구조는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하므로, 그 상세한 설명을 생략한다.
한편, 모드 컨버터(40)는 제1 모드 전환부(401) 및 제2 모드 전환부(403)를 포함한다. 제1 모드 전환부(401)는 제1 스위치(70)와 제2 스위치(72) 사이에 위치하여 모드 컨버터(40)의 이동에 따라 이 중에서 어느 한 스위치에만 연결될 수 있다. 제2 모드 전환부(403)는 z축 방향, 즉 제1 모드 전환부(401)가 뻗은 방향과 교차하는 방향으로 뻗어 있다. 제2 모드 전환부(403)는 개구부(905)를 통하여 외부 노출되어 있으므로, 제2 모드 전환부(403)를 작동시켜서 모드 컨버터(40)를 x축 방향을 따라 좌측 또는 우측으로 이동시킬 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 모드 컨버터(40)의 양단에는 제1 스위치(70)와 제2 스위치(72)가 위치한다. 따라서 모드 컨버터(40)의 작동에 따라 모드 컨버터(40)는 제1 스위치(70)와 제2 스위치(72) 중 어느 한 스위치와 전기적으로 연결된다. 즉, 모드 컨버터(40)가 좌측으로 이동하여 제1 스위치(70)와 전기적으로 접촉하는 경우, 제1 스위치(70)를 턴온시키고, 제1 스위치(70)와 전기적으로 연결된 제1 밸브(601)를 오픈시킬 수 있다. 반대로, 모드 컨버터(40)가 우측으로 이동하여 제2 스위치(72)와 전기적으로 접촉하는 경우, 제2 스위치(72)를 턴온시키고, 제2 스위치(72)와 전기적으로 연결된 제2 밸브(621)를 오픈시킬 수 있다. 이하에서는 도 4 및 도 5를 통하여 하이브리드 전기화학셀(100)의 작동 모드를 좀더 상세하게 설명한다.
도 4는 도 2의 하이브리드 전기화학셀(100)의 작동 상태를 개략적으로 나타낸다. 좀더 구체적으로, 도 4는 도 2의 하이브리드 전기화학셀(100)의 방전 모드를 개략적으로 나타낸다.
도 4에 도시한 바와 같이, 화살표 방향을 따라 모드 컨버터(40)를 좌측, 즉, 방전 단자(50) 측으로 이동시킨다. 이 경우, 모드 컨버터(40)는 제1 스위치(70)에 접촉한다. 그리고 제1 스위치(70)는 제1 밸브(601)에 구동 신호를 인가하여 제1 밸브(601)를 오픈시킨다. 그 결과, 제1 저장조의 수소 및 일산화탄소가 고체산화물셀(10)에 제1 연결관(60)을 통하여 화살표 방향을 따라 공급된다. 따라서 고체산화물셀(10)에서는 수소 및 일산화탄소를 연료로서 이용하여 전력을 생성하고, 화학 변환된 스팀 및 이산화탄소를 제1 연결관(60)을 통하여 제2 저장조(32)에 공급한다. 한편, 고체산화물셀(10)에서 생성된 전력은 고체산화물셀(10)와 전기적으로 연결된 방전 단자(50)가 모드 컨버터(40)의 이동에 의해 케이싱(90)의 외부로 노출되므로, 전력을 외부에 공급할 수 있다. 한편, 모드 컨버터(40)가 제1 스위치(70)와 접촉하는 경우, 모드 컨버터(40)는 제2 스위치(72)와는 접촉하지 않는다. 따라서 제2 스위치(72)와 연결된 제2 밸브(621)가 닫힌 상태를 유지하므로, 고체산화물셀(10)에서는 전기 분해 등의 반응이 일어나지 않는다.
도 5는 도 2의 하이브리드 전기화학셀(100)의 또다른 작동 상태를 개략적으로 나타낸다. 좀더 구체적으로, 도 5는 도 2의 하이브리드 전기화학셀(100)의 충전 모드를 개략적으로 나타낸다.
도 5에 도시한 바와 같이, 화살표 방향을 따라 모드 컨버터(40)를 우측, 즉, 충전 단자(50) 측으로 이동시킨다. 이 경우, 모드 컨버터(40)는 제2 스위치(72)에 접촉한다. 그리고 제2 스위치(72)는 제2 밸브(621)에 구동 신호를 인가하여 제2 밸브(621)를 오픈시킨다. 그 결과, 제2 저장조의 스팀 및 이산화탄소가 고체산화물셀(10)에 제2 연결관(62)을 통하여 화살표 방향을 따라 공급된다. 또한, 모드 컨버터(40)의 이동에 의해 고체산화물셀(10)과 전기적으로 연결된 충전 단자(52)가 케이싱(90)의 외부로 노출되므로, 전력을 외부로부터 공급받는다. 그리고 스팀 및 이산화탄소를 전력에 의해 전기 분해한 수소와 일산화탄소를 배출하여 제2 저장조(30)에 공급한다. 따라서 외부 전력을 이용하여 고체산화물셀(10)의 구동에 필요한 수소와 일산화탄소를 제1 저장조(30)에 저장할 수 있다. 한편, 이 경우 모드 컨버터(40)는 제1 스위치(70)와 접촉하지 않는다. 따라서 제1 스위치(70)와 연결된 제1 밸브(601)가 닫힌 상태를 유지하므로, 고체산화물셀(10)에서는 전력 생성 등의 반응이 일어나지 않는다.
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
10. 고체산화물셀
30, 32. 저장조
40. 모드 컨버터
50. 방전 단자
52. 충전 단자
60, 62. 연결관
601, 621. 밸브
70, 72. 스위치
100. 하이브리드 전기화학셀
501, 503. 방전 단자부
521, 523. 충전 단자부
901, 903, 905. 개구부

Claims (11)

  1. 전력을 생성하도록 적용된 고체산화물셀,
    상기 고체산화물셀로부터 배출된 수소와 일산화탄소를 저장하고, 상기 수소 및 일산화탄소를 상기 고체산화물셀에 공급하도록 적용된 제1 저장조,
    상기 고체산화물셀로부터 배출된 스팀과 이산화탄소를 저장하고, 상기 스팀 및 상기 이산화탄소를 상기 고체산화물셀에 공급하도록 적용된 제2 저장조,
    상기 제1 저장조 및 상기 제2 저장조와 상기 고체산화물셀을 상호 연결하는 제1 연결관,
    상기 제1 저장조 및 상기 제2 저장조와 상기 고체산화물셀을 상호 연결하는 제2 연결관,
    상기 고체산화물셀과 연결된 방전 단자,
    상기 고체산화물셀과 연결되고, 상기 고체산화물셀을 사이에 두고 상기 방전 단자와 이격된 충전 단자 및
    상기 고체산화물셀과 상기 고체산화물셀의 배열 방향을 따라 길게 뻗어서 상기 방전 단자 및 상기 충전 단자에 연결되고, 상기 방전 단자 및 상기 충전 단자 중 하나의 단자를 이동시켜서 외부와 전기적으로 연결되도록 적용된 모드 컨버터(mode converter)
    를 포함하는 하이브리드 전기화학셀.
  2. 제1항에서,
    상기 고체산화물셀, 상기 제1 저장조 및 상기 제2 저장조를 수용하는 케이싱을 더 포함하고,
    상기 방전 단자, 상기 충전 단자, 및 상기 모드 컨버터는 각각 상기 케이싱에 형성된 개구부들을 통하여 외부로 부분 노출될 수 있도록 적용된 하이브리드 전기화학셀.
  3. 제2항에서,
    상기 방전 단자는,
    상기 모드 컨버터가 뻗은 방향과 교차하는 방향으로 뻗어서 상기 모드 컨버터와 연결된 제1 방전 단자부, 및
    상기 제1 방전 단자부와 연결되고, 상기 모드 컨버터가 뻗은 방향과 평행한 방향으로 뻗고, 상기 개구부들을 통하여 상기 케이싱을 출입하는 제2 방전 단자부
    를 포함하는 하이브리드 전기화학셀.
  4. 제2항에서,
    상기 충전 단자는,
    상기 모드 컨버터가 뻗은 방향과 교차하는 방향으로 뻗어서 상기 모드 컨버터와 연결된 제1 충전 단자부, 및
    상기 제1 충전 단자부와 연결되고, 상기 모드 컨버터가 뻗은 방향과 평행한 방향으로 뻗고, 상기 개구부들을 통하여 상기 케이싱을 출입하는 제2 충전 단자부
    를 포함하는 하이브리드 전기화학셀.
  5. 제2항에서,
    상기 제1 연결관에 설치되어 상기 제1 연결관을 개폐하는 제1 밸브,
    상기 제2 연결관에 설치되어 상기 제2 연결관을 개폐하는 제2 밸브, 및
    상기 모드 컨버터의 양단에 각각 위치하는 제1 스위치 및 제2 스위치
    를 더 포함하고,
    상기 모드 컨버터의 작동에 따라 상기 모드 컨버터가 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 중 어느 한 스위치와 전기적으로 연결되도록 적용되고, 상기 제1 스위치는 상기 제1 밸브에 전기적으로 연결되며, 상기 제2 스위치는 상기 제2 밸브에 전기적으로 연결된 하이브리드 전기화학셀.
  6. 제5항에서,
    상기 모드 컨버터는,
    상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 사이에 위치하여 상기 제1 스위치 및 상기 제2 스위치 중 어느 한 스위치와 연결되도록 적용되고, 상기 충전 단자와 상기 방전 단자를 상호 연결하는 방향으로 길게 뻗은 제1 모드 전환부, 및
    상기 제1 모드 전환부가 뻗은 방향와 교차하는 방향으로 뻗어서 상기 개구부들 중 어느 한 개구부를 통하여 외부 노출된 제2 모드 전환부
    를 포함하는 하이브리드 전기화학셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고체산화물셀은,
    금속 촉매와 페로브스카이트를 포함하는 연료극,
    상기 연료극과 접하고, 이트륨 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia)를 포함하는 전해질, 및
    상기 전해질과 접하고, 페로브스카이트를 포함하는 공기극
    을 포함하는 하이브리드 전기화학셀.
  8. 제5항에 따른 하이브리드 전기화학셀을 제공하는 단계,
    상기 모드 컨버터를 상기 방전 단자측으로 이동시키는 단계,
    상기 모드 컨버터가 상기 제1 스위치와 접촉하는 단계,
    상기 제1 스위치에 의해 상기 제1 밸브가 오픈되어 상기 제1 저장조의 상기 수소 및 상기 일산화탄소가 상기 고체산화물셀에 공급되는 단계,
    상기 고체산화물셀에서 전력이 생성되고, 상기 고체산화물셀이 스팀 및 이산화탄소를 배출하여 상기 제2 저장조에 공급하는 단계, 및
    상기 고체산화물셀과 연결된 방전 단자가 외부 노출되어 상기 전력을 외부에 공급하는 단계
    를 포함하는 하이브리드 전기화학셀의 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 모드 컨버터가 상기 제1 스위치와 접촉하는 단계에서, 상기 모드 컨버터는 상기 제2 스위치와 비접촉하고, 상기 제2 밸브는 닫힌 상태를 유지하는 하이브리드 전기화학셀의 제어 방법.
  10. 제5항에 따른 하이브리드 전기화학셀을 제공하는 단계,
    상기 모드 컨버터를 상기 충전 단자측으로 이동시키는 단계,
    상기 모드 컨버터가 상기 제2 스위치와 접촉하는 단계,
    상기 제2 스위치에 의해 상기 제2 밸브가 오픈되어 상기 제2 저장조의 상기 스팀 및 상기 이산화탄소가 상기 고체산화물셀에 공급되는 단계, 및
    상기 고체산화물셀과 연결된 충전 단자가 외부 노출되어 외부로부터 전력을 공급받고, 상기 스팀 및 상기 이산화탄소를 상기 전력에 의해 전기 분해한 수소 및 일산화탄소를 배출하여 상기 제1 저장조에 공급하는 단계
    를 포함하는 하이브리드 전기화학셀의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 모드 컨버터가 상기 제2 스위치와 접촉하는 단계에서, 상기 모드 컨버터는 상기 제1 스위치와 비접촉하고, 상기 제1 밸브는 닫힌 상태를 유지하는 하이브리드 전기화학셀의 제어 방법.
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