KR20180080534A - 연료전지 모드, 전해셀 모드, 및 기체 분리막 모드를 선택적으로 제공하는 다중 모드 이온 전달 장치 - Google Patents

연료전지 모드, 전해셀 모드, 및 기체 분리막 모드를 선택적으로 제공하는 다중 모드 이온 전달 장치 Download PDF

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KR20180080534A
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주상욱
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신지영
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은, 연료전지 모드, 전해셀 모드, 및 기체 분리막 모드를 선택적으로 제공하는 다중 모드 이온 전달 장치를 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 다중 모드 이온 전달 장치는, 제1 전극; 상기 제1 전극을 마주보고 배치되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 전해질;을 포함하는 멤브레인 구조체; 상기 멤브레인 구조체에 전기적으로 연결되어 연료전지 모드를 구성하는 제1 회로; 상기 멤브레인 구조체에 전기적으로 연결되어 전해셀 모드를 구성하는 제2 회로; 상기 멤브레인 구조체에 전기적으로 연결되어 기체 분리막 모드를 구성하는 제3 회로; 및 상기 제1 회로, 상기 제2 회로 및 상기 제3 회로 중 어느 하나를 선택하는 스위치부;를 포함한다.

Description

연료전지 모드, 전해셀 모드, 및 기체 분리막 모드를 선택적으로 제공하는 다중 모드 이온 전달 장치{Multimode ion transporting apparatus selectively providing fuel cell mode, electrolyzer cell mode, and gas separation membrane}
본 발명의 기술적 사상은 이온 전달 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 페로브스카이트 결정 구조 물질을 포함하고, 연료전지 모드, 전해셀 모드, 및 기체 분리막 모드를 선택적으로 제공하는 다중 모드 이온 전달 장치에 관한 것이다.
지속가능한 에너지원 개발에 있어 깨끗하고 고효율의 에너지 전환 기술은 매우 중요하다. 수소는 에너지 밀도가 높고 친환경적이라는 면에서 차세대 에너지 원으로써 급부상하고 있다. 그러나, 현재까지 수소는 지속적으로 생산되거나 자연상태에서 쉽게 찾기 힘든 자원이다. 수소는 전기화학적 또는 광화학적 물 분해 기술을 이용해서 얻을 수 있으나, 이러한 과정은 효율적인 측면에서 실용적이지 않다. 현재 수소를 얻는 가장 일반적인 방법은 메탄 수증기 개질법(Methane steam reforming)이라고 하는 반응 과정이다. 하지만 이 반응의 한계는 이산화탄소가 생성되어 이를 따로 분리 처리해야 하는 과정이 있다는 것이다. 이러한 분리막 기술은 이러한 측면에서 낮은 가격 및 유지비, 간단 설치 및 운용, 반응기로의 활용성 등으로 인한 장점을 가지고 있기에 많은 개발이 이루어져 왔다. 예를 들어, 희토류 금속의 Pd를 기반으로 한 금속 분리막이 널리 연구되었지만 높은 가격과 화학적 안정성 등의 한계가 있으며, 최근에는 양성자 전도 페로브스카이트 계열 산화물이 각광 받고 있다.
수소 분리막으로 사용되기 위해서는 물질은 양성자 및 전자 전달 능력을 가지고 있어야 한다. 페로브스카이트 계열의 산화물은 높은 양성자 전도도에 비해 낮은 전자 전도도를 가지므로, 따라서 이러한 양성자 전도체 분리막에서의 수소 전달 능력은 대부분 전자 전달 정도에 의해 결정된다. 분리막의 전자 전도도는 적절한 이온 도핑을 통해서 이루어지는 방법과 이온 전도도가 있는 물질(세라믹)에 전자 전도도가 높은 물질(금속 등)을 섞는 형태의 복합체를 만든 방법이 있다. 하지만 이러한 방법은 전자 전도도를 얻는 대신에 양성자 전도도는 떨어지게 된다는 단점이 있다.
기존의 고체산화물 전지 (Solid oxide cells, SOCs)는 화학 에너지를 전기 에너지로 또는 그 역으로 변환할 수 있다. 고체산화물 전지에서의 전해질은 전자 전도도는 없는 반면에, 이온 (양성자) 전도도는 우수하다. 따라서, 고체산화물 전지의 구조를 이용하여 분리막으로 활용하는 가능성이 제기될 수 있다.
S. Friebe, B. Geppert, and J. J. Caro, Angew. Chemie - Int. Ed., 54, 7790-7794 (2015). K. Zhang, J. Sunarso, G. H. Pham, S. Wang, and S. Liu, Ceram. Int., 40, 791-797 (2014) http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.06.069.
본 발명의 기술적 과제는 연료전지 모드, 전해셀 모드, 및 기체 분리막 모드를 선택적으로 제공하는 다중 모드 이온 전달 장치를 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 모드 이온 전달 장치는, 제1 전극; 상기 제1 전극을 마주보고 배치되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 전해질;을 포함하는 멤브레인 구조체; 상기 멤브레인 구조체에 전기적으로 연결되어 연료전지 모드를 구성하는 제1 회로; 상기 멤브레인 구조체에 전기적으로 연결되어 전해셀 모드를 구성하는 제2 회로; 상기 멤브레인 구조체에 전기적으로 연결되어 기체 분리막 모드를 구성하는 제3 회로; 및 상기 제1 회로, 상기 제2 회로 및 상기 제3 회로 중 어느 하나를 선택하는 스위치부;를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 연료전지 모드에서의 동작 방법은, 상기 제2 전극에서 산소와 전자가 결합하여 산소 이온을 형성하고, 상기 전해질을 통하여 상기 산소 이온이 상기 제2 전극으로부터 상기 제1 전극으로 전달되고, 상기 제1 전극에서 상기 산소 이온이 수소 가스와 결합하여 물과 상기 전자를 형성하고, 상기 전자는 제1 회로부를 통하여 상기 제1 전극에서 제2 전극으로 이동하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 전해셀 모드에서의 동작 방법은, 상기 제1 전극에서 전원에 의하여 물이 분해되어 산소 이온 및 수소 이온을 형성하고, 상기 수소 이온은 전자와 결합하여 수소 가스를 형성하고, 상기 전해질을 통하여 상기 산소 이온이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전달되고, 상기 제2 전극에서 상기 산소 이온이 분해되어 산소 가스와 상기 전자를 형성하고, 상기 전자는 제2 회로부를 통하여 상기 제2 전극에서 제1 전극으로 이동하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 전해셀 모드에서의 동작 방법은, 상기 제1 전극에서 전원에 의하여 이산화탄소가 분해되면서 전자와 결합하여 산소 이온 및 일산화탄소를 형성하고, 상기 전해질을 통하여 상기 산소 이온이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전달되고, 상기 제2 전극에서 상기 산소 이온이 분해되어 산소 가스와 상기 전자를 형성하고, 상기 전자는 제2 회로부를 통하여 상기 제2 전극에서 제1 전극으로 이동하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 전해셀 모드에서의 동작 방법은, 상기 제1 전극에서 전원에 의하여 물과 이산화탄소가 분해되면서 전자와 결합하여 산소 이온, 수소 가스 및 일산화탄소를 형성하고, 상기 전해질을 통하여 상기 산소 이온이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전달되고, 상기 제2 전극에서 상기 산소 이온이 분해되어 산소 가스와 상기 전자를 형성하고, 상기 전자는 제2 회로부를 통하여 상기 제2 전극에서 제1 전극으로 이동하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 기체 분리막 모드에서의 동작 방법은, 상기 제1 전극에서 수소가 수소 이온과 전자로 분해되고, 상기 전해질을 통하여 상기 수소 이온이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전달되고, 상기 제2 전극에서 상기 수소 이온이 전자와 결합하여 수소 가스를 형성하고, 상기 전자는 제3 회로부를 통하여 상기 제1 전극에서 제2 전극으로 이동하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 연료전지 모드에서는 상기 전해질을 통하여 상기 제2 전극에서 상기 제1 전극의 방향으로 음이온이 전달될 수 있고, 상기 전해셀 모드에서는 상기 전해질을 통하여 상기 제1 전극에서 상기 제2 전극의 방향으로 음이온이 전달될 수 있고, 상기 기체 분리막 모드에서는 상기 전해질을 통하여 상기 제1 전극에서 상기 제2 전극의 방향으로 양이온이 전달될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 어느 하나는 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 페로브스카이트 결정 구조 물질은, 하기의 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 1>
RETO5 +δ
상기 화학식 1에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 화학식 1에서, 상기 R은 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 화학식 1에서, 상기 E는, 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 화학식 1에서, 상기 T는, 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 페로브스카이트 결정 구조 물질은, 하기의 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 2>
REE'TO5 +δ
상기 화학식 2에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 E 및 E'는 알카리토 금속족에서 선택된 서로 다른 원소들이고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 페로브스카이트 결정 구조 물질은, 하기의 화학식 3의 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 3>
RETT'O5 +δ
상기 화학식 3에서, 상기 R은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 T 및 T'는 전이금속에서 선택된 서로 다른 원소들을 포함할 수 있고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 페로브스카이트 결정 구조 물질은, 하기의 화학식 4의 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 4>
REE'TT'O5 +δ
상기 화학식 4에서, 상기 R은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 E 및 E'는 알카리토 금속족에서 선택된 서로 다른 원소들이고, 상기 T 및 T'는 전이금속에서 선택된 서로 다른 원소들을 포함할 수 있고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 4의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 페로브스카이트 결정 구조 물질은, NdBaCo2O5+δ, PrBaCo2O5 +δ, SmBaCo2O5 +δ, GdBaCo2O5 +δ, NdSrCo2O5 +δ, PrSrCo2O5 +δ, SmSrCo2O5+δ, GdSrCo2O5 +δ, NdBa1 - xSrxCo2O5 +δ, PrBa1 - xSrxCo2O5 +δ, SmBa1 - xSrxCo2O5 +δ, GdBa1-xSrxCo2O5+δ, NdBaMn2 - yCoyO5 +δ, PrBaMn2 - yCoyO5 +δ, SmBaMn2 - yCoyO5 +δ, GdBaMn2 -yCoyO5+δ, NdBa1 - xSrxMn2 - yCoyO5 +δ, PrBa1 - xSrxMn2 - yCoyO5 +δ, SmBa1 - xSrxMn2 - yCoyO5 +δ, 및 GdBa1-xSrxMn2-yCoyO5+δ (여기에서 x는 0 초과 1 미만의 수이고, y는 0 초과 2 미만의 수임), 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에 있어서, 상기 페로브스카이트 결정 구조 물질은, 단일층 페로브스카이트 결정 구조 물질 또는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 모드 이온 전달 장치는, 페로브스카이트 결정 구조 물질을 포함하고 연료전지 모드, 전해셀 모드, 및 기체 분리막 모드를 선택적으로 제공할 수 있다. 따라서, 상기 다중 모드 이온 전달 장치는 고체산화물 전지 장치의 구조에서 전해질을 분리막으로써 활용할 수 있고, 종래에는 고체산화물 연료전지(SOFC) 또는 고체산화물 전해셀(SOEC) 로의 제한적 이용만 가능한 데 비하여, 본 발명은 하나의 장치에서 연료전지, 전해셀, 기체 분리막으로도 이용을 가능하게 한다.
종래의 단락된 PEM 연료전지를 활용한 내피온(Nafion) 기반 분리막에서는 80℃ 까지의 저온의 환경에서만 작동 가능하고, 고온의 작동 환경에서는 활용에 어려움이 있다. 기존의 고온이나 중온에서 작동하는 고체 산화물 기체 분리막의 경우 낮은 전자 전도도가 전체 전달 성능을 막는 문턱으로 작용하고 있다. 따라서 충분한 이온 및 전자 전도도를 얻기 위해서는 적절한 도핑을 통하는 등의 전자 전도도가 높은 MIEC 물질이나 복합체(composite) 물질을 써야만 하는 한계가 있었다. 그러나, 이러한 방법으로 전자 전도도를 높이는 경우에는 양성자 전도도가 다시 낮아진다는 한계가 있었다. 그러나, 본원 발명은 페로브스카이트 구조 물질을 전극 소재로 사용하므로, 600℃ 내지 900℃ 범위의 중온 및 고온에서 작동하기 때문에, 저온에서 작동하는 내피온(Nafion) 기반 분리막에 비해 높은 효율을 달성할 수 있다는 장점이 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다중 모드 이온 전달 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 다중 모드 이온 전달 장치가 연료전지 모드로 작동하는 원리를 설명하는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다중 모드 이온 전달 장치가 수전해셀 모드로 작동하는 원리를 설명하는 개략도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다중 모드 이온 전달 장치가 이산화탄소 전해셀 모드로 작동하는 원리를 설명하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 다중 모드 이온 전달 장치가 기체 분리막 모드로 작동하는 원리를 설명하는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 모드 이온 전달 장치의 전극을 구성하는 페로브스카이트 결정 구조 물질을 도시하는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 다중 모드 이온 전달 장치의 전극을 구성하는 페로브스카이트 결정 구조 물질에서, 일부 원자가 치환된 경우를 도시하는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다중 모드 이온 전달 장치(1)를 도시하는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 다중 모드 이온 전달 장치(1)는 멤브레인 구조체(100), 제1 회로부(110), 제2 회로부(120), 제3 회로부(130), 및 스위치부(140)를 포함한다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 모드 이온 전달 장치(1)는 연료전지 모드, 전해셀 모드, 및 기체 분리막 모드를 선택적으로 제공할 수 있으며, 이러한 선택적 제공을 위하여 제1 회로부(110), 제2 회로부(120), 제3 회로부(130), 및 스위치부(140)가 사용된다.
멤브레인 구조체(100)는 제1 전극(102), 제1 전극(102)을 마주보고 배치되는 제2 전극(104), 및 제1 전극(102)과 제2 전극(104) 사이에 배치되는 전해질(106)을 포함할 수 있다.
제1 전극(102), 제2 전극(104), 또는 이들 모두는 고체 산화물 물질을 포함할 수 있고, 예를 들어 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성될 수 있다. 이러한 페로브스카이트 결정 구조 물질은 하기에 상세하게 설명하기로 한다.
제1 전극(102) 및 제2 전극(104) 중 적어도 어느 하나는 공지의 캐소드 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(102)은 상술한 페로브스카이트 결정 구조 물질을 포함하고, 제2 전극(104)은, 예를 들어 LaSrFe-YSZ를 포함할 수 있고, 예를 들어 La0 . 8Sr0 . 2Fe-YSZ를 포함할 수 있다. 또한, 제2 전극(104)은, 예를 들어 PrBaaSr1-aCo2-bFebO5+ δ 화합물 (상기 a는 0 이상 1 이하의 수이고, 상기 b는 0 이상 2 이하의 수이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수임)을 포함할 수 있고, 예를 들어 PrBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 + δ 화합물, NdBa0 . 5Sr0 . 5Co1 . 5Fe0 . 5O5 + δ 화합물, 또는 GdBa0.5Sr0.5CoFeO5+ δ 화합물 등을 포함할 수 있고, 예를 들어 NBSCF-40GDC (NdBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ-Ce0.9Gd0.1O1.95) 를 포함할 수 있다. 또한, 제1 전극(102)과 제2 전극(104)의 물질이 상술한 바와 서로 반대인 물질을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
전해질(106)은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어 전해질(106)은 제1 전극(102)과 제2 전극(104) 사이에 위치하고, 전해 물질을 포함할 수 있다. 전해질(106)은, 예를 들어 수산화나트륨(NaOH) 용액이나 수산화칼슘(KOH) 용액을 포함할 수 있다. 또한, 전해질(106)은 고상의 매체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 전해질(106)은, 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ) 등의 안정화 지르코니아계; 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 등과 같은 희토류 원소가 첨가된 세리리아계; 기타 LSGM ((La, Sr)(Ga, Mg)O3)계; 등을 포함할 수 있다. 또한, 전해질(106)은, 스트론튬 또는 마그네슘이 도핑된 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate) 등을 포함할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 제1 전극(102)과 전해질(106) 사이에는 또는 제2 전극(104)과 전해질(106) 사이에는, 결정 격자 뒤틀림을 완화하는 등의 원활한 접촉을 제공하는 버퍼층을 더 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은, 예를 들어 LDC(La0.4Ce0.6O2-δ) 를 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 선택적인 구성요소로서 생략될 수 있다.
제1 회로부(110)는 멤브레인 구조체(100)에 전기적으로 연결되어 연료전지 모드를 구성할 수 있다. 제1 회로부(110)는 부하(112)를 더 포함할 수 있다. 상기 연료 전지 모드에 대하여는 도 2를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
제2 회로부(120)는 멤브레인 구조체(100)에 전기적으로 연결되어 전해셀 모드를 구성할 수 있다. 제2 회로부는 전원(122)을 더 포함할 수 있다. 상기 전해셀 모드에 대하여는 도 3 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
제3 회로부(130)는 멤브레인 구조체(100)에 전기적으로 연결되어 기체 분리막 모드를 구성할 수 있다. 상기 기체 분리막 모드에 대하여는 도 5를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
스위치부(140)는 제1 회로부(110), 제2 회로부(120), 및 제3 회로부(130) 중 어느 하나를 선택하여 멤브레인 구조체(100)와 전기적으로 연결시킬 수 있다. 제1 회로부(110), 제2 회로부(120), 및 제3 회로부(130)는 스위치부(140)에 병렬로 연결된다.
다중 모드 이온 전달 장치(1)는 해당 기술 분야에서 각종 문헌에 공지되어 있는 통상적인 방법을 이용하여 제조할 수 있으므로, 여기서는 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한, 다중 모드 이온 전달 장치(1)는 원통형(tubular) 스택, 평관형(flat tubular) 스택, 평판형(planar type) 스택 등 다양한 구조에 적용될 수 있다. 다중 모드 이온 전달 장치(1)는 단위 전지의 스택(stack) 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(102), 제2 전극(104), 및 전해질(106)로 구성되는 단위 전지(MEA, Membrane and Electrode Assembly)가 직렬로 적층되고 상기 단위 전지들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리판(separator)가 개재되어 단위 전지의 스택(stack)이 얻어질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 다중 모드 이온 전달 장치(1)가 연료전지 모드로 작동하는 원리를 설명하는 개략도이다.
도 2를 참조하면, 스위치부(140)에 의하여 멤브레인 구조체(100)는 제1 회로부(110)에 전기적으로 연결된다. 이러한 경우, 제1 전극(102)은 애노드로서 기능할 수 있고, 제2 전극(104)은 캐소드로서 기능할 수 있다. 전해질(106)은 산소 이온 전도성 고체 산화물일 수 있다.
다중 모드 이온 전달 장치(1)가 연료전지 모드로 작동하는 경우에는 하기의 반응식1과 같은 전기화학반응이 이루어질 수 있다.
<반응식1>
전자방출반응: H2 + O2- -> H2O + 2e-
전자소모반응: 1/2 O2 + 2e- -> O2-
상기 반응식1에서, 제1 전극(102)에서는 상기 전자방출반응이 이루어지고, 구체적으로 수소(H2) 가스와 산소 이온(O2-)이 결합하여 물(H2O)과 전자(2e-)를 형성한다. 제2 전극(104)에서는 상기 전자소모반응이 이루어지고, 산소 가스(O2)가 전자와 결합하여 산소 이온을 형성한다. 상기 산소 이온은 전해질(106)을 통하여 제2 전극(104)으로부터 제1 전극(102)으로 전달된다.
상기 반응식1에서의 전자 이동에 대하여 설명하면, 제2 전극(104)에서는 전극표면에 흡착된 산소가 해리 및 표면 확산을 거쳐 제2 전극(104), 전해질(106), 및 기공(미도시)이 만나는 삼상계면(triple phase boundary)으로 이동하여 전자를 얻어 산소 이온으로 되고 생성된 산소 이온은 전해질(106)을 통해 제1 전극(102)으로 이동하게 된다. 제1 전극(102)에서는 이동한 상기 산소 이온은 전자를 배출하여 수소 이온(H+)으로 변화한 수소와 결합하여 물을 생성한다. 상기 수소로부터 배출된 전자는 제1 회로부(110)를 통하여 제2 전극(104)으로 이동하여 산소를 산소 이온으로 변화시킨다. 즉, 전자는 제1 전극(102)에서 수소로부터 배출되어 제1 회로부(110)를 통하여 부하(112)를 통과한 후 제2 전극(104)으로 이동하게 된다. 따라서, 다중 모드 이온 전달 장치(1)는 수소를 포함하는 연료를 사용하여 발생되는 화학 포텐셜의 차이에 의하여 전압이 형성되고 이에 따라 전류가 이동하는 연료 전지 기능을 수행할 수 있다. 이때에, 다중 모드 이온 전달 장치(1)는 음이온인 산소 이온을 전해질(106)을 통하여 전달한다.
정리하면, 상기 연료전지 모드에서의 동작 방법은, 상기 제2 전극에서 산소와 전자가 결합하여 산소 이온을 형성하고, 상기 전해질을 통하여 상기 산소 이온이 상기 제2 전극으로부터 상기 제1 전극으로 전달되고, 상기 제1 전극에서 상기 산소 이온이 수소 가스와 결합하여 물과 상기 전자를 형성하고, 상기 전자는 제1 회로부를 통하여 상기 제1 전극에서 제2 전극으로 이동하여 이루어질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다중 모드 이온 전달 장치(1)가 수전해셀 모드로 작동하는 원리를 설명하는 개략도이다.
도 3을 참조하면, 스위치부(140)에 의하여 멤브레인 구조체(100)는 제2 회로부(120)에 전기적으로 연결된다. 이러한 경우, 제1 전극(102)은 캐소드로서 기능할 수 있고, 제2 전극(104)은 애노드로서 기능할 수 있다. 전해질(106)은 산소 이온 전도성 고체 산화물일 수 있다.
다중 모드 이온 전달 장치(1)가 전해셀 모드로 작동하는 경우에는 하기의 반응식2와 같은 전기화학반응이 이루어질 수 있다. 여기에서 반응식2는 물을 전해하는 전해셀 모드의 경우이다.
<반응식2>
전자소모반응: H2O + 2e- -> O2- + H2
전자방출반응: O2- -> 1/2 O2 + 2e-
상기 반응식2에서, 제1 전극(102)에서는 상기 전자소모반응이 이루어지고, 물이 전원(122)에 의하여 수소 이온과 산소 이온으로 분해되고, 상기 수소 이온은 전자와 결합하여 수소 가스를 형성한다. 제2 전극(104)에서는 상기 산소 이온이 산소 가스와 전자를 형성한다. 상기 산소 이온은 전해질(106)을 통하여 제1 전극(102)으로부터 제2 전극(104)으로 이동한다.
상기 반응식2에서의 전자 이동에 대하여 설명하면, 제1 전극(102)에서는 물이 전기 분해되어 형성된 산소가 전원(122)으로부터 제공된 전자와 결합하여 산소 이온으로 되고, 생성된 산소 이온은 전해질(106)을 통해 제2 전극(104)으로 이동하게 된다. 제2 전극(104)에서는 이동한 상기 산소 이온이 전자를 배출하여 산소 가스를 발행한다. 상기 산소 이온으로부터 배출된 전자는 제2회로부(120)를 통하여 제1 전극(102)으로 이동하여 산소를 산소 이온으로 변화시킨다. 즉, 전자는 제2 전극(104)에서 산소 이온으로부터 배출되어 제2 회로부(120)를 통하여 전원(122)를 통과한 후 제1 전극(102)으로 이동하게 된다. 따라서, 다중 모드 이온 전달 장치(1)는 전원에 의하여 전기적 에너지를 제공하면, 물이 전기분해되어 수소 가스와 산소 가스를 발생시키는 수전해셀 기능을 수행할 수 있다. 이때에, 다중 모드 이온 전달 장치(1)는 음이온인 산소 이온을 전해질(106)을 통하여 전달한다. 이러한 전해셀 모드의 반응은 통상적인 연료 전지의 반응 원리와는 반대이고, 전자 이동의 방향이 반대이다.
정리하면, 상기 수전해셀 모드에서의 동작 방법은, 상기 제1 전극에서 전원에 의하여 물이 분해되어 산소 이온 및 수소 이온을 형성하고, 상기 수소 이온은 전자와 결합하여 수소 가스를 형성하고, 상기 전해질을 통하여 상기 산소 이온이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전달되고, 상기 제2 전극에서 상기 산소 이온이 분해되어 산소 가스와 상기 전자를 형성하고, 상기 전자는 제2 회로부를 통하여 상기 제2 전극에서 제1 전극으로 이동하여 이루어질 수 있다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른, 다중 모드 이온 전달 장치(1)가 이산화탄소 전해셀 모드로 작동하는 원리를 설명하는 개략도이다.
도 4를 참조하면, 다중 모드 이온 전달 장치(1)가 전해셀 모드로 작동하는 경우에는 하기의 반응식3와 같은 전기화학반응이 이루어질 수 있다. 여기에서 반응식3는 이산화탄소를 전해하는 이산화탄소 전해셀 모드의 경우이다.
<반응식3>
전자소모반응: CO2 + 2e- -> O2- + CO
전자방출반응: O2- -> 1/2 O2 + 2e-
상기 반응식2와 비교하면, 상기 반응식3의 경우는 물을 대신하여 이산화탄소를 사용하고, 수소 가스를 발생시키는 대신에 일산화탄소 가스를 발생시키는 차이점이 있다. 따라서, 다중 모드 이온 전달 장치(1)는 전원에 의하여 전기적 에너지를 제공하면, 이산화탄소가 전기분해되어 일산화탄소 가스와 산소 가스를 발생시키는 이산화탄소 전해셀 기능을 수행할 수 있다.
정리하면, 상기 이산화탄소 전해셀 모드에서의 동작 방법은, 상기 제1 전극에서 전원에 의하여 이산화탄소가 분해되면서 전자와 결합하여 산소 이온 및 일산화탄소를 형성하고, 상기 전해질을 통하여 상기 산소 이온이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전달되고, 상기 제2 전극에서 상기 산소 이온이 분해되어 산소 가스와 상기 전자를 형성하고, 상기 전자는 제2 회로부를 통하여 상기 제2 전극에서 제1 전극으로 이동하여 이루어질 수 있다.
또한, 다중 모드 이온 전달 장치(1)가 전해셀 모드로 작동하는 경우에는 하기의 반응식4와 같은 전기화학반응이 이루어질 수 있다. 여기에서 반응식4는 물과 이산화탄소를 동시에 전해하는 전해셀 모드의 경우이다.
<반응식4>
전자소모반응: H2O + CO2 + 4e- -> 2O2 - + CO + H2
전자방출반응: 2O2 - -> O2 + 4e-
상기 반응식2 및 3과 비교하면, 상기 반응식4의 경우는 물과 이산화탄소를 사용하고, 일산화탄소 가스 및 수소 가스를 동시에 발생시키는 차이점이 있다. 따라서, 다중 모드 이온 전달 장치(1)는 전원에 의하여 전기적 에너지를 제공하면, 물과 이산화탄소가 함께 전기분해되어 일산화탄소 가스, 수소 가스 및 산소 가스를 발생시키는 수전해셀 기능과 이산화탄소 전해셀 기능을 동시에 수행할 수 있다.
정리하면, 상기 물 전해셀 모드 및 이산화탄소 전해셀 모드에서의 동작 방법은, 상기 제1 전극에서 전원에 의하여 물과 이산화탄소가 분해되면서 전자와 결합하여 산소 이온, 수소 가스 및 일산화탄소를 형성하고, 상기 전해질을 통하여 상기 산소 이온이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전달되고, 상기 제2 전극에서 상기 산소 이온이 분해되어 산소 가스와 상기 전자를 형성하고, 상기 전자는 제2 회로부를 통하여 상기 제2 전극에서 제1 전극으로 이동하여 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 다중 모드 이온 전달 장치(1)가 기체 분리막 모드로 작동하는 원리를 설명하는 개략도이다.
도 5를 참조하면, 스위치부(140)에 의하여 멤브레인 구조체(100)는 제3 회로부(130)에 전기적으로 연결된다. 이러한 경우, 제1 전극(102)은 애노드로서 기능할 수 있고, 제2 전극(104)은 캐소드로서 기능할 수 있다. 전해질(106)은 수소 이온 전도성 고체 산화물일 수 있다.
다중 모드 이온 전달 장치(1)가 기체 분리막 모드로 작동하는 경우에는 하기의 반응식5와 같은 전기화학반응이 이루어질 수 있다.
<반응식5>
전자방출반응: H2 -> 2H+ + 2e-
전자소모반응: 2H+ + 2e- -> H2
상기 반응식5에서, 제1 전극(102)에서는 상기 전자방출반응이 이루어지고, 구체적으로 수소(H2) 가스가 분해되어 수소 이온(H+)과 전자(2e-)를 형성한다. 제2 전극(104)에서는 상기 전자소모반응이 이루어지고, 수소 이온(H+)이 전자와 결합하여 수소 가스를 형성한다. 상기 수소 이온은 전해질(106)을 통하여 제1 전극(102)으로부터 제2 전극(104)으로 전달된다. 따라서, 제1 전극(102) 측에 수소 가스를 포함하는 혼합 가스가 배치되면, 제2 전극(104) 측으로 수소 가스만이 배출될 수 있으므로, 혼합 가스로부터 수소 가스를 분리할 수 있다.
상기 반응식5에서의 전자 이동에 대하여 설명하면, 제1 전극(102)에서 혼합 가스 중에 수소 가스가 이온화하여 수소 이온과 전자를 형성하고, 상기 수소 이온은 전해질(106)을 통해 제2 전극(104)으로 이동하게 되고, 상기 전자는 제3 회로부(130)를 통하여 제2 전극(104)으로 이동하여 상기 수소 이온과 다시 결합하여 수소 가스를 형성한다. 이러한 전자의 이동에 의하여 전기적 중성을 이룰 수 있다.
기체 분리막에서의 가스 이온의 전달은 기체 분리막 양쪽의 가스 농도 차이(분압차)로 생성되는 화학 포텐셜에 기인한다. 혼합 가스, 예를 들어 수소 가스가 헬륨과 혼합된 혼합 가스가 제1 전극(102) 측에 배치되면, 수소 투과 유량(JH2)은 하기와 같은 식으로 나타낼 수 있다
Figure pat00001
(여기에서, F는 투과 총 유량, S는 유효 면적, yH2 및 yHe는 각각 수소 및 헬륨의 몰분율을 의미함)
이와 같이, 수소 이온이 분리막을 가로질러 확산됨에 따라 전기적 중성을 만족하도록 전자가 전달될 필요가 있고, 본 발명에서는 이러한 전자 전달이 제3 회로부(130)를 통하여 구현된다. 종래의 분리막은 전자 전달이 전자 전도성이 있는 분리막 자체를 통해 이루어졌다. 따라서, 종래의 분리막의 전자 전도도는 적절한 이온 도핑을 통해서 이루어지는 방법과 이온 전도도가 있는 물질(세라믹)에 전자 전도도가 높은 물질(금속 등)을 섞는 형태의 복합체를 만든 방법이 있다. 본 발명에서는, 외부적인 전류나 전압은 가하지 않으며, 필요시 가변 저항을 바꿔가며 전기 전도도를 조절할 수 있다.
정리하면, 상기 기체 분리막 모드에서의 동작 방법은, 상기 제1 전극에서 수소가 수소 이온과 전자로 분해되고, 상기 전해질을 통하여 상기 수소 이온이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전달되고, 상기 제2 전극에서 상기 수소 이온이 전자와 결합하여 수소 가스를 형성하고, 상기 전자는 제3 회로부를 통하여 상기 제1 전극에서 제2 전극으로 이동하여 이루어질 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 모드 이온 전달 장치(1)의 전극(102, 104)을 구성하는 페로브스카이트 결정 구조 물질을 도시하는 개략도이다.
도 6을 참조하면, 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질이 도시되어 있다. 페로브스카이트 결정 구조 물질은 크게 단일 페로브스카이트 결정 구조 물질과 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구분될 수 있다.
단일 페로브스카이트(simple perovskite) 결정 구조 물질은 ABO3의 화학식을 가질 수 있다. 상기 단일 페로브스카이트 결정 구조는, 큐빅 격자(cubic lattice)의 코너 위치인 A-자리(A-site)에 이온반경이 상대적으로 큰 원소들이 위치할 수 있고, 산소 이온에 의해 12 배위수(CN, Coordination number)를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 A-자리에는 희토류 원소, 알카라인 희토류 원소, 알카라인 원소들이 위치할 수 있다. 상기 큐빅 격자의 체심(body center) 위치인 B-자리(B-site)에는 이온반경이 상대적으로 작은 원소들이 위치할 수 있고, 산소 이온에 의해 6 배위수를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 B-자리에는 코발트(Co), 철(Fe) 등과 전이금속이 위치할 수 있다. 상기 큐빅 격자의 각 면심(face center)에는 산소이온이 위치할 수 있다. 이러한 단일 페로브스카이트 구조는 일반적으로 A-자리(site)에 다른 물질이 치환될 경우 구조적인 변위가 발생할 수 있고, 주로 B-자리(site)에 위치한 원소를 중심으로 이의 최인접 산소이온(6개)으로 이루어지는 BO6의 8면체에서 구조적인 변이가 발생할 수 있다.
예를 들어, 수소 분위기에서 환원을 시키면, 단일 페로브스카이트 구조체는 이중층 페로브스카이트 구조체로 변화게 된다. 이런 이중충 페로브스카이트 구조체가 되면 산소 이온의 움직임이 빨라지고 열적 및 화학적 안정성이 향상될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 이중층 페로브스카이트 결정 구조는, A-자리(site)에 두 원소 이상이 규칙적으로 배열된 결정 격자 구조로서, AA'BO5 +δ의 화학식을 가질 수 있다. 이러한 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질은 산소 공공 군집이 존재하여 이온의 움직임을 보다 용이하게 함으로써, 캐소드에 향상된 이온 전도성을 부여할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른, 다중 모드 이온 전달 장치(1)의 전극(102, 104)을 구성하는 페로브스카이트 결정 구조 물질에서, 일부 원자가 치환된 경우를 도시하는 개략도이다.
도 7을 참조하면, 이중층 페로브스카이트 구조는 A-자리(site)에 두 원소 이상이 규칙적으로 배열된 결정 격자 구조로서, 예를 들어 AA'B2O5 +δ의 화학식을 가질 수 있다. 구체적으로, 이중층 페로브스카이트 구조를 가지는 란탄족 화합물은 기본적으로 [BO2]-[AO]-[BO2]-[A'O] 의 적층 순열이 c축을 따라 반복될 수 있다. 예를 들어, 상기 B는 망간(Mn)이고, 상기 A는 프라세오디뮴(Pr) 등을 포함하는 란탄족일 수 있고, 상기 A'는 바륨(Ba)일 수 있다. 또한, 상기 망간은 다른 전이 금속, 예를 들어 코발트로 치환될 수 있다. 이러한 치환이 발생하는 경우에는, 상기 이중층 페로브스카이트 구조는 AA'B2 - xB'xO5 +δ의 화학식을 가질 수 있다.
수소 분위기에서 환원을 시키면 단일 페로브스카이트 결정 구조 물질에서 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질로 변하게 된다. 이러한 이중충 페로브스카이트 결정 구조가 되면 산소 이온의 움직임이 빨라지고 열적 및 화학적 안정성이 향상될 수 있다. 또한 종래의 전극 소재에 비하여 수소 분위기에서의 전기 전도성이 높고 열적 화학적 안정성을 가지고 우수한 성능을 나타내는 전극 소재를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른, 전극을 구성하는 페로브스카이트 결정 구조 물질은 하기의 화학식 1의 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 1>
RETO5 +δ
상기 화학식 1에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다. 상기 δ는 하기의 이중층 페로브스카이트 구조에서의 침입형 산소(interstitial oxygen)를 나타내고 구체적인 결정 구조에 따라 상기 δ의 값이 정해질 수 있다.
상기 화학식 1에서, 상기 R은, 예를 들어 란탄족 원소를 포함할 수 있고, 예를 들어 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 화학식 1에서, 상기 E는, 예를 들어 알칼리토 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어, 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 화학식 1에서, 상기 T는, 예를 들어 전이 금속을 포함할 수 있고, 예를 들어 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다.
또한, 화학식 1의 화합물은 상기 R에 따라 다양한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 1의 화합물은 NdBaCo2O5 +δ, PrBaCo2O5 +δ, SmBaCo2O5 +δ, GdBaCo2O5+δ, NdSrCo2O5 +δ, PrSrCo2O5 +δ, SmSrCo2O5 +δ, 또는 GdSrCo2O5 +δ로 표시되는 화합물일 수 있다. 또한, 상기 화합물이 바륨(Ba)이나 스트론튬(Sr)을 대신하여 다른 알카리토 금속을 포함하거나, 코발트(Co)를 대신하여 다른 전이금속을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
상기 화학식 1의 화합물은 단일층 페로브스카이트 결정 구조 또는 이중층 페로브스카이트 결정 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른, 전극을 구성하는 페로브스카이트 결정 구조 물질은 하기의 화학식 2의 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 2>
REE'TO5 +δ
상기 화학식 2에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 E 및 E'는 알카리토 금속족에서 선택된 서로 다른 원소들이고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
상기 화학식 2에서, 상기 E'는 E를 치환하는 물질이거나, 또는 도핑되는 도판트 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 2의 화합물은, 예를 들어 상기 E가 바륨(Ba)이고, 상기 E'가 스트론튬(Sr) 또는 칼슘(Ca)이고, 상기 T가 코발트(Co)일 수 있다. 이러한 경우, 스트론튬(Sr) 또는 칼슘(Ca)은 바륨(Ba)을 치환하는 물질로 기능하거나, 또는 추가적으로 도핑되는 도판트로 기능할 수 있다.
또한, 화학식 2의 화합물은, 예를 들어 RE1- xE'xTO5 +δ을 포함할 수 있고, 예를 들어 RBa1 - xSrxCo2O5 +δ와 같은 화합물을 포함할 수 있고, 여기에서 상기 x는 0 초과 1 미만의 수이다. 또한, 화학식 2의 화합물은, 예를 들어 RBa0 . 25Sr0 . 75Co2O5 + δ 와 같은 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 화학식 2의 화합물은, 상기 R에 따라 다양한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 2의 화합물은, NdBa1 -xSrxCo2O5+δ, PrBa1 - xSrxCo2O5 +δ, SmBa1 - xSrxCo2O5 +δ, GdBa1 - xSrxCo2O5 + δ 로 표시되는 화합물을 포함할 수 있고, 예를 들어 NdBa0 . 25Sr0 . 75Co2O5 +δ, PrBa0 . 25Sr0 . 75Co2O5 +δ, SmBa0.25Sr0.75Co2O5+δ, 또는 GdBa0 . 25Sr0 . 75Co2O5 + δ 로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 화합물이 바륨(Ba)이나 스트론튬(Sr)을 대신하여 다른 알카리토 금속을 포함하거나, 코발트(Co)를 대신하여 다른 전이금속을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
본 발명의 일 구현예에 따른, 전극을 구성하는 페로브스카이트 결정 구조 물질은 하기의 화학식 3의 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 3>
RETT'O5 +δ
상기 화학식 3에서, 상기 R은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 T 및 T'는 전이금속에서 선택된 서로 다른 원소들을 포함할 수 있고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
상기 화학식 3에서, 상기 T 및 T'는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 예를 들어 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 T'는, 상기 화학식 3의 화합물에서, 상기 T의 위치를 차지하도록 상기 T를 치환하는 원소일 수 있다.
또한, 화학식 3의 화합물은, 예를 들어 RET2 - yT'yO5 +δ을 포함할 수 있고, 여기에서 상기 y는 0 초과 2 미만의 수이다. 또한, 화학식 3의 화합물은, 상기 R에 따라 다양한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 3의 화합물은, NdBaMn2-yCoyO5+δ, PrBaMn2 - yCoyO5 +δ, SmBaMn2 - yCoyO5 +δ, 또는 GdBaMn2 - yCoyO5 + δ 로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 화합물이 바륨(Ba)이나 스트론튬(Sr)을 대신하여 다른 알카리토 금속을 포함하거나, 코발트(Co)를 대신하여 다른 전이금속을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
본 발명의 일 구현예에 따른, 전극을 구성하는 페로브스카이트 결정 구조 물질은 하기의 화학식 4의 화합물을 포함할 수 있다.
<화학식 4>
REE'TT'O5 +δ
상기 화학식 4에서, 상기 R은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 E 및 E'는 알카리토 금속족에서 선택된 서로 다른 원소들이고, 상기 T 및 T'는 전이금속에서 선택된 서로 다른 원소들을 포함할 수 있고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 4의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
상기 화학식 4에서, 상기 E'는 E를 치환하는 물질이거나, 또는 도핑되는 도판트 물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 4의 화합물은, 예를 들어 상기 E가 바륨(Ba)이고, 상기 E'가 스트론튬(Sr) 또는 칼슘(Ca)이고, 상기 T가 코발트(Co)일 수 있다. 이러한 경우, 스트론튬(Sr) 또는 칼슘(Ca)은 바륨(Ba)을 치환하는 물질로 기능하거나, 또는 추가적으로 도핑되는 도판트로 기능할 수 있다.
상기 화학식 4에서, 상기 T 및 T'는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 예를 들어 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 니켈(Ni), 또는 이들의 혼합물 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 T'는, 상기 화학식 4의 화합물에서, 상기 T의 위치를 차지하도록 상기 T를 치환하는 원소일 수 있다.
또한, 화학식 4의 화합물은, 예를 들어 RE1- xE'xT2 - yT'yO5 +δ을 포함할 수 있고, 여기에서 상기 x는 0 초과 1 미만의 수이고, 상기 y는 0 초과 2 미만의 수이다. 또한, 화학식 4의 화합물은, 상기 R에 따라 다양한 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 4의 화합물은, NdBa1 - xSrxMn2 - yCoyO5 +δ, PrBa1 - xSrxMn2 - yCoyO5 +δ, SmBa1-xSrxMn2-yCoyO5+δ, 또는 GdBa1 - xSrxMn2 - yCoyO5 + δ 로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다. 또한, 상기 화합물이 바륨(Ba)이나 스트론튬(Sr)을 대신하여 다른 알카리토 금속을 포함하거나, 코발트(Co)를 대신하여 다른 전이금속을 포함하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 전극의 제조 방법을 설명하기로 한다.
상기 전극의 제조 방법은, 상기 화학식 1 내지 상기 화학식 4 중 어느 하나의 화합물의 조성에 맞도록 계량된 각 금속 전구체를 (예를 들어 용매를 이용하여 습식) 혼합하는 단계, 상기 혼합물로부터 고형물을 얻는 단계, 상기 고형물을 공기 중에서 소성하여 소성물을 얻는 단계 및 상기 소성물을 연마하는 단계를 포함한다.
상기 금속 전구체는 상기 화학식의 화합물을 얻을 수 있는 화학양론적 비율로 혼합한다. 금속 전구체의 예는 상기 화학식의 상기 전극을 구성하는 각 성분의 질화물, 산화물, 할로겐화물 등을 사용할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 금속 전구체는 Pr, Ba, Mn, Co, Ni 등의 적어도 하나를 포함하는 질화물, 산화물, 할로겐화물 등일 수 있다.
상기 금속 전구체를 상기 용매와 혼합하는 단계에서는, 물을 용매로서 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 금속 전구체를 용해시킬 수 있는 것이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 예를 들어 메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 부탄올 등의 총 탄소수가 5 이하의 저급 알코올; 질산, 염산, 황산, 구연산 등의 산성 용액; 물; 톨루엔, 벤젠, 아세톤, 디에틸에테르, 에틸렌 글리콜 등의 유기용매; 등을 단독으로 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.
상기 금속 전구체를 상기 용매와 혼합하는 단계는, 약 100 ℃ 내지 약 200℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있고, 각 성분이 충분히 혼합될 수 있도록 교반 하에 소정 시간 동안 수행할 수 있다. 상기 혼합 과정과 용매 제거 및 이를 위하여 필요한 첨가제 부가는 예를 들어 페치니법(pechini method) 등으로 잘 알려져 있으니 여기서는 상술하지 않는다.
상기 혼합 과정을 거친 후, 자발 연소 과정에 의해 초미세 고형물을 얻을 수 있다. 이어서, 약 400℃ 내지 약 950℃의 온도 범위로 약 1 시간 내지 약 5 시간 범위 동안, 예를 들어 약 600℃에서 약 4시간 동안 상기 초미세 고형물을 열 처리(하소, 소결)할 수 있다.
필요한 경우 상기 소성 후 제 2의 열 처리(하소, 소결)를 할 수도 있다. 이 제 2 열처리 공정은 공기 중에서 소성하는 공정으로서 약 950℃ 내지 약 1500℃ 범위의 온도에서 약 1 시간 내지 약 24 시간 범위 동안, 예를 들어 약 950 내지 약 1500℃ 범위의 온도에서 약 12 시간 동안 수행하여 분말상의 결과물을 얻게 된다.
이어서, 상기 소성된 결과물은 연마하거나 분쇄하여 일정 크기의 미세 분말상을 얻을 수 있다. 예를 들어, 약 24 시간 동안 아세톤 내에서 볼 밀링 하여 분쇄 및 혼합한다. 다음으로, 혼합된 분말을 금속몰드에 넣고 프레스 한 후, 가압된 펠렛(Pellet)을 대기 중에서 소결하여 전극 소재를 제조할 수 있다. 소결은 약 950℃ 내지 약 1500℃ 범위의 온도로 약 12 시간 내지 약 24 시간 범위 동안, 예를 들어 약 950 내지 약 1500℃ 범위의 온도에서 약 24 시간 동안 수행할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 소성된 결과물은 연마하거나 분쇄하여 일정 크기의 미세 분말상의 전극용 소재를 얻을 수 있다.
상기 전극용 소재로부터 애노드 또는 캐소드의 전극을 제조할 수 있다. 예를 들어 상기 전극용 소재를 기재 상에 코팅한 후 열처리하여 애노드를 형성할 수 있다. 상기 열처리는 애노드로부터 복수의 전이원소들이 용리되어 합금화되도록, 수소 분위기와 같은 환원 분위기에서 수행될 수 있다. 상기 열처리는, 예를 들어 약 700℃ 내지 약 800℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 열처리는, 예를 들어 약 3 atm 의 수소 압력 하에서 수행될 수 있다. 상기 용리되어 합금화된 전이원소 합금은 애노드 또는 캐소드와 같은 전극의 표면 상에 형성된 금속 합금 촉매체를 형성할 수 있다.
상기 전극의 두께는 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 범위일 수 있다. 예를 들어, 상기 전극의 두께는 약 5 ㎛ 내지 약 50 ㎛의 범위일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 모드 이온 전달 장치의 적용예를 설명하기로 한다.
적용예1 : 시추선
본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 모드 이온 전달 장치는 원유 시추선 또는 가스 시추선에 적용될 수 있다. 예를 들어, 해상에 위치하는 원유 시추선 또는 가스 시추선은 탑재될 수 있는 장치의 크기, 무게 등이 제한되어 있다. 따라서, 가동에 필요한 에너지 발생장치 등의 탑재가 매우 제약적이다. 또한, 원유나 가스와 같은 원료의 시추 및 운송은 인프라가 구축되어 있지 않은 열악한 환경에 존재하는 경우가 많아, 원활한 에너지 공급이 필수적이다. 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 모드 이온 전달 장치는 원유 시추선이나 가스 시추선에서 발생하는 원료를 시추 현장에서 이용하여 연료전지 모드를 통하여 시추선을 동작시키는 에너지를 얻을 수 있고, 이에 함께 필요한 경우 전해질 모드 또는 기체 분리막 모드를 통하여 수소, 산소, 일산화탄소 등을 형성하여 합성 가스를 얻을 수 있다.
적용예2 : 운송선
본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 모드 이온 전달 장치는 원유 운송선 또는 가스 운송선에 적용될 수 있다. 일반적으로, 시추된 원료들은 가공을 위해 원료 가공공장으로의 1차 운송을 하고, 가공된 원료를 사용처로 2차 운송을 한다. 1차 운송과 2차 운송에 운송비와 운송 시간이 소요되고, 상기 가공공정에서는 합성 시간 및 비용이 소요된다. 반면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 모드 이온 전달 장치를 운송선에 탑재하면, 운송되는 도중에 연료전지 모드를 통하여 운송선을 동작시키는 에너지를 얻을 수 있고, 이에 함께 필요한 경우 전해질 모드 또는 기체 분리막 모드를 통하여 수소, 산소, 일산화탄소 등을 형성하여 합성 가스를 얻을 수 있다. 이를 통해 원유 채취 장소와 사용처 사이의 1회에 대한 운송 시간과 운송비만이 요구되므로 중복적인 운송비 및 시간을 절약이 가능하고, 합성 시간이 운송시간에 포함될 수 있으므로 생산원가 감소 및 효율성 증대를 시킬 수 있고, 기타 가공 공장의 건설비를 감소시키는 등 경제성을 제공할 수 있다.
적용예3 : 극한 기지용 물질 제공장치
본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 모드 이온 전달 장치는 북극, 남극, 오지, 우주, 행성과 같은 극한 기지용 물질 제공장치에 적용될 수 있다. 매우 극한적 상황(우주, 극, 오지)에서의 생활 및 개발을 위해서는 기본적인 화학물질 합성용 원료(메탄올 등) 부터 에너지의 확보가 필요로 한다. 예를 들어, 화성 개척의 경우 우주선에는 제한적인 물품만을 운송할 수 있다. 반면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 다중 모드 이온 전달 장치를 화성 탐사선에 탑재하면, 화성으로의 항해 중 연료 전지 모드를 이용하여 에너지와 물을 얻을 수 있다. 이어서, 화성 도착 후에는, 연료 전지 모드에서 얻어진 물 등을 전해셀 모드를 통해 분해하여 수소나 기타 연료를 얻을 수 있다. 또한 얻어진 수소와, 화성에 풍부하게 존재하는 이산화탄소(96%로 대기에 존재)를 이용하면 기체 분리막 모드에서 메탄 등의 화학제품을 합성할 수 있는 기초적인 화학 물질을 얻을 수 있다. 이러한 기초적인 화학 물질을 이용하여 플라스틱 원료나 화학 공정 시 필요한 다양한 물질들을 2차적으로 합성 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
1: 다중 모드 이온 전달 장치,
100: 멤브레인 구조체,
102: 제1 전극, 104: 제2 전극, 106: 전해질,
110: 제1 회로부, 112: 부하,
120: 제2 회로부, 122: 전원,
130: 제3 회로부, 140: 스위치부,

Claims (17)

  1. 제1 전극; 상기 제1 전극을 마주보고 배치되는 제2 전극; 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 전해질;을 포함하는 멤브레인 구조체;
    상기 멤브레인 구조체에 전기적으로 연결되어 연료전지 모드를 구성하는 제1 회로;
    상기 멤브레인 구조체에 전기적으로 연결되어 전해셀 모드를 구성하는 제2 회로;
    상기 멤브레인 구조체에 전기적으로 연결되어 기체 분리막 모드를 구성하는 제3 회로; 및
    상기 제1 회로, 상기 제2 회로 및 상기 제3 회로 중 어느 하나를 선택하는 스위치부;
    를 포함하는, 다중 모드 이온 전달 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 모드에서의 동작 방법은,
    상기 제2 전극에서 산소와 전자가 결합하여 산소 이온을 형성하고, 상기 전해질을 통하여 상기 산소 이온이 상기 제2 전극으로부터 상기 제1 전극으로 전달되고, 상기 제1 전극에서 상기 산소 이온이 수소 가스와 결합하여 물과 상기 전자를 형성하고, 상기 전자는 제1 회로부를 통하여 상기 제1 전극에서 제2 전극으로 이동하여 이루어지는, 다중 모드 이온 전달 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해셀 모드에서의 동작 방법은,
    상기 제1 전극에서 전원에 의하여 물이 분해되어 산소 이온 및 수소 이온을 형성하고, 상기 수소 이온은 전자와 결합하여 수소 가스를 형성하고, 상기 전해질을 통하여 상기 산소 이온이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전달되고, 상기 제2 전극에서 상기 산소 이온이 분해되어 산소 가스와 상기 전자를 형성하고, 상기 전자는 제2 회로부를 통하여 상기 제2 전극에서 제1 전극으로 이동하여 이루어지는, 다중 모드 이온 전달 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해셀 모드에서의 동작 방법은,
    상기 제1 전극에서 전원에 의하여 이산화탄소가 분해되면서 전자와 결합하여 산소 이온 및 일산화탄소를 형성하고, 상기 전해질을 통하여 상기 산소 이온이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전달되고, 상기 제2 전극에서 상기 산소 이온이 분해되어 산소 가스와 상기 전자를 형성하고, 상기 전자는 제2 회로부를 통하여 상기 제2 전극에서 제1 전극으로 이동하여 이루어지는, 다중 모드 이온 전달 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 전해셀 모드에서의 동작 방법은,
    상기 제1 전극에서 전원에 의하여 물과 이산화탄소가 분해되면서 전자와 결합하여 산소 이온, 수소 가스 및 일산화탄소를 형성하고, 상기 전해질을 통하여 상기 산소 이온이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전달되고, 상기 제2 전극에서 상기 산소 이온이 분해되어 산소 가스와 상기 전자를 형성하고, 상기 전자는 제2 회로부를 통하여 상기 제2 전극에서 제1 전극으로 이동하여 이루어지는, 다중 모드 이온 전달 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체 분리막 모드에서의 동작 방법은,
    상기 제1 전극에서 수소가 수소 이온과 전자로 분해되고, 상기 전해질을 통하여 상기 수소 이온이 상기 제1 전극으로부터 상기 제2 전극으로 전달되고, 상기 제2 전극에서 상기 수소 이온이 전자와 결합하여 수소 가스를 형성하고, 상기 전자는 제3 회로부를 통하여 상기 제1 전극에서 제2 전극으로 이동하여 이루어지는, 다중 모드 이온 전달 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지 모드에서는 상기 전해질을 통하여 상기 제2 전극에서 상기 제1 전극의 방향으로 음이온이 전달되고,
    상기 전해셀 모드에서는 상기 전해질을 통하여 상기 제1 전극에서 상기 제2 전극의 방향으로 음이온이 전달되고,
    상기 기체 분리막 모드에서는 상기 전해질을 통하여 상기 제1 전극에서 상기 제2 전극의 방향으로 양이온이 전달되는, 다중 모드 이온 전달 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 중 적어도 어느 하나는 페로브스카이트 결정 구조 물질로 구성된, 다중 모드 이온 전달 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 페로브스카이트 결정 구조 물질은, 하기의 화학식 1의 화합물을 포함하는, 다중 모드 이온 전달 장치.
    <화학식 1>
    RETO5 +δ
    상기 화학식 1에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 1의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 화학식 1에서, 상기 R은 이트륨(Y), 네오디뮴(Nd), 프라세오디뮴(Pr), 스칸듐(Sc), 사마륨(Sm), 가돌리늄(Gd), 유로퓸(Eu), 터븀(Tb), 에르븀(Er), 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 다중 모드 이온 전달 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 화학식 1에서, 상기 E는, 베릴륨(Be), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 바륨(Ba), 라듐(Ra) 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 다중 모드 이온 전달 장치.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 화학식 1에서, 상기 T는, 망간(Mn), 코발트(Co), 철(Fe), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 또는 이들의 혼합물을 포함하는, 다중 모드 이온 전달 장치.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 페로브스카이트 결정 구조 물질은, 하기의 화학식 2의 화합물을 포함하는, 다중 모드 이온 전달 장치.
    <화학식 2>
    REE'TO5 +δ
    상기 화학식 2에서, 상기 R은 희토류족 또는 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, 상기 E 및 E'는 알카리토 금속족에서 선택된 서로 다른 원소들이고, 상기 T는 전이금속에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함하고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 2의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 페로브스카이트 결정 구조 물질은, 하기의 화학식 3의 화합물을 포함하는, 다중 모드 이온 전달 장치.
    <화학식 3>
    RETT'O5 +δ
    상기 화학식 3에서, 상기 R은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 E는 알카리토 금속족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 T 및 T'는 전이금속에서 선택된 서로 다른 원소들을 포함할 수 있고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 3의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
  15. 청구항 8에 있어서,
    상기 페로브스카이트 결정 구조 물질은, 하기의 화학식 4의 화합물을 포함하는, 다중 모드 이온 전달 장치.
    <화학식 4>
    REE'TT'O5 +δ
    상기 화학식 4에서, 상기 R은 란탄족에서 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들을 포함할 수 있고, 상기 E 및 E'는 알카리토 금속족에서 선택된 서로 다른 원소들이고, 상기 T 및 T'는 전이금속에서 선택된 서로 다른 원소들을 포함할 수 있고, O는 산소이고, 상기 δ는 0 또는 1 이하의 양수로서, 상기 화학식 4의 화합물을 전기적 중성으로 하는 값이다.
  16. 청구항 8에 있어서,
    상기 페로브스카이트 결정 구조 물질은, NdBaCo2O5 +δ, PrBaCo2O5 +δ, SmBaCo2O5+δ, GdBaCo2O5 +δ, NdSrCo2O5 +δ, PrSrCo2O5 +δ, SmSrCo2O5 +δ, GdSrCo2O5 +δ, NdBa1-xSrxCo2O5+δ, PrBa1 - xSrxCo2O5 +δ, SmBa1 - xSrxCo2O5 +δ, GdBa1 - xSrxCo2O5 +δ, NdBaMn2 -yCoyO5+δ, PrBaMn2 - yCoyO5 +δ, SmBaMn2 - yCoyO5 +δ, GdBaMn2 - yCoyO5 +δ, NdBa1 - xSrxMn2 - yCoyO5 +δ, PrBa1 - xSrxMn2 - yCoyO5 +δ, SmBa1 - xSrxMn2 - yCoyO5 +δ, 및 GdBa1 - xSrxMn2 - yCoyO5 +δ (여기에서 x는 0 초과 1 미만의 수이고, y는 0 초과 2 미만의 수임), 중 적어도 어느 하나를 포함하는, 다중 모드 이온 전달 장치.
  17. 청구항 8에 있어서,
    상기 페로브스카이트 결정 구조 물질은, 단일층 페로브스카이트 결정 구조 물질 또는 이중층 페로브스카이트 결정 구조 물질을 포함하는, 다중 모드 이온 전달 장치.
KR1020170001343A 2017-01-04 2017-01-04 연료전지 모드, 전해셀 모드, 및 기체 분리막 모드를 선택적으로 제공하는 다중 모드 이온 전달 장치 KR20180080534A (ko)

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