WO2019156415A1 - 이산화탄소를 이용한 수계 이차전지 및 이를 구비하는 복합 시스템 - Google Patents

이산화탄소를 이용한 수계 이차전지 및 이를 구비하는 복합 시스템 Download PDF

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김건태
김창민
김정원
신지영
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울산과학기술원
숙명여자대학교산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to an aqueous secondary battery, and more particularly, to provide an aqueous secondary battery using carbon dioxide, which is a greenhouse gas, and a complex system having the same.
  • CCUS Carbon Capture & Storage
  • CCU CC & Utilization
  • One of the main objectives of the present technology is to provide an aqueous secondary battery using carbon dioxide, which is a greenhouse gas, as a fuel.
  • One of the main purposes of the present technology is to provide an aqueous secondary battery capable of producing hydrogen, which is an environmentally friendly fuel, while using carbon dioxide as a fuel.
  • a hydrogen-rich reformed gas is discharged from an aqueous secondary battery, a hydrogen-containing fuel, which is discharged by using carbon dioxide as a fuel and hydrogen is generated during the discharge process.
  • a complex system including a reformer for producing and generating carbon dioxide as a by-product, a fuel cell for supplying a reformed gas produced from the reformer as a fuel, and a carbon dioxide supply unit for supplying carbon dioxide generated in the reformer to the aqueous secondary battery.
  • a hydrogen-rich reformed gas from an aqueous secondary battery, a hydrogen-containing fuel discharged using carbon dioxide as a fuel and hydrogen is generated in the discharge process
  • a complex system including a reformer for producing a fuel cell, a fuel cell supplied with reformed gas produced from the reformer as fuel, and a hydrogen supply unit supplying hydrogen generated in the aqueous secondary battery to fuel of the fuel cell.
  • the carbon dioxide treatment unit for preventing the supply of the undissolved carbon dioxide to the aqueous electrolyte to the cathode portion it is possible to produce high purity hydrogen in the cathode portion during discharge.
  • the carbon dioxide undissolved in the aqueous electrolyte is separated from the carbon dioxide treatment unit and resupplied by the carbon dioxide circulation supply unit, thereby improving efficiency.
  • FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a charging process of the aqueous secondary battery illustrated in FIG. 1, illustrating a case where the aqueous electrolyte used in the cathode is a neutral electrolyte.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a charging process of the aqueous secondary battery illustrated in FIG. 1, illustrating a case where the aqueous electrolyte used in the cathode part is a basic electrolyte.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a charging process of the aqueous secondary battery illustrated in FIG. 5, illustrating a case where the aqueous electrolyte used in the cathode part is a neutral electrolyte.
  • FIG. 9 is a view showing a schematic configuration of a composite system having an aqueous secondary battery using carbon dioxide according to another embodiment of the present technology.
  • an aqueous secondary battery 100 may include a cathode 110, an anode 120, and a cathode 110 and an anode 120. It includes a solid electrolyte 130 interposed.
  • the aqueous secondary battery 100 uses carbon dioxide (CO 2 ), which is a greenhouse gas, as a raw material in the discharge process, and has high purity hydrogen (H 2 ) and sodium hydrogen carbonate (NaHCO 3 ), also called baking soda, and high purity hydrogen ( H2) can be produced together.
  • CO 2 carbon dioxide
  • H 2 high purity hydrogen
  • NaHCO 3 sodium hydrogen carbonate
  • the aqueous electrolyte 111 and the carbon dioxide which is used as a raw material in the discharge process, are discharged to the outside from the first receiving co-discharge process.
  • the first inlet 112 and the first outlet 113 may be opened and closed selectively and appropriately by a valve or the like during charging and discharging.
  • the aqueous electrolyte 111 accommodated in the first accommodating space 116 includes a neutral aqueous electrolyte, a basic aqueous electrolyte, an electrolyte containing chlorine ions, and the like, and the charging reaction equation is different depending on the type of the aqueous electrolyte 111. This will be described in detail below.
  • the discharge reaction equation is the same regardless of the type of the aqueous electrolyte 111, which will be described in detail below.
  • the anode unit 120 includes an organic electrolyte 121 accommodated in the second receiving space 126, one side of which is partitioned by the solid electrolyte 130, and an anode 125 impregnated in the organic electrolyte 121.
  • the anode 125 is an electrode constituting an electric circuit and is formed of a material including sodium metal or sodium metal so that sodium ions transferred from the cathode part 110 are reduced and stored as sodium metal, and the stored sodium metal can be oxidized. .
  • a negative electrode active material layer may be formed on the surface of the anode 125.
  • the anode 125 is described as being a material containing sodium metal. Other metals (eg, Li, Mg, etc.) may be used in addition to the sodium metal.
  • the solid electrolyte 130 is disposed between the cathode 110 and the anode 120 in the form of a wall so that both sides of the aqueous electrolyte 111 and the anode are accommodated in the first accommodating space 116 of the cathode 110. In contact with the organic electrolyte 121 accommodated in the second receiving space 126 of the part 120.
  • the solid electrolyte 130 selectively passes only sodium ions between the cathode portion 110 and the anode portion 120. In the present embodiment, it will be described as being formed of Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 , which is a Na super ion conductor (NASICON) to efficiently transfer sodium ions.
  • Na 3 Zr 2 Si 2 PO 12 which is a Na super ion conductor (NASICON) to efficiently transfer sodium ions.
  • FIG. 1 illustrates a discharge process of the aqueous secondary battery 100.
  • the cathode 110 performs a chemical reaction as shown in the following [Scheme 1].
  • carbon dioxide (CO 2 ) supplied to the cathode unit 110 undergoes a spontaneous chemical reaction with water (H 2 O) of the aqueous electrolyte and bicarbonate (HCO 3 ⁇ ) and hydrogen cation (H + ). Is generated.
  • the hydrogen cation (H + ) in the cathode unit 110 receives electrons (e ⁇ ) to generate hydrogen (H 2 ) gas.
  • anode unit 120 performs an electrical reaction as shown in [Reaction Formula 3].
  • sodium ions (Na + ) and electrons (e ⁇ ) delivered from the cathode unit 110 are combined to be reduced to sodium metal.
  • FIG. 3 is a view for explaining the charging reaction when the aqueous electrolyte used for the cathode part is a basic electrolyte.
  • a reaction as in Scheme 8 is performed in the cathode unit 110.
  • FIG. 4 is a view for explaining the charging reaction when the aqueous electrolyte used in the cathode portion is an electrolyte containing chlorine ions.
  • the aqueous electrolyte is an electrolyte containing chlorine ions
  • the reaction described through FIG. 3 [Scheme 8], [Scheme 9] and The reaction described below with reference to Scheme 10) and FIG. 4 may occur simultaneously.
  • the cathode 110 generates a reaction as shown in [Scheme 11].
  • chlorine anion (Cl ⁇ ) is decomposed by a chemical reaction to generate chlorine gas (Cl 2 ) and electrons (e ⁇ ).
  • the generated chlorine gas Cl 2 is discharged to the outside through the first discharge port 113, and the generated electrons e ⁇ are moved to the anode unit 120 through an electric circuit.
  • sodium ions (Na + ) and electrons (e ⁇ ) delivered from the cathode unit 110 are combined to be reduced to sodium metal.
  • the aqueous secondary battery 100 includes a carbon dioxide processing unit 140, a carbon dioxide circulation supply unit 150, and a cathode unit in the configuration of the aqueous secondary battery described above. It further includes a connection pipe 160 for communicating the 110 and the carbon dioxide treatment unit 140.
  • the carbon dioxide processor 140 includes an aqueous electrolyte 111 accommodated in the third accommodating space 146.
  • the carbon dioxide processor 140 has a second inlet 142 through which carbon dioxide is introduced into the third accommodating space 146, a communication port 143 to which the connection pipe 160 is connected, and an upper portion of the third accommodating space 146.
  • a second outlet 144 positioned at is formed.
  • the communication port 143 is located below the second inlet 142 in the third accommodation space 146, and the connection pipe 160 is connected to the communication port 143.
  • the third accommodation space 146 communicates with the first accommodation space 116 through the communication port 143.
  • the second outlet 144 is positioned above the water surface of the second inlet 142 and the aqueous electrolyte 111 in the third accommodation space 146. Carbon dioxide gas that is not ionized because it is not dissolved in the aqueous electrolyte 111 in the third accommodation space 146 is discharged to the outside through the second outlet 144. The carbon dioxide gas discharged through the second outlet 144 is supplied to the second inlet 142 through the carbon dioxide circulation supply unit 150.
  • the carbon dioxide circulation supply unit 150 circulates the carbon dioxide gas discharged through the second outlet 144 to the second inlet 142 and resupply it.
  • the connector 160 connects the first inlet 112 of the first accommodating space 116 and the communication port 143 of the third accommodating space 146.
  • the first accommodating space 116 and the third accommodating space 146 communicate with each other through a connection passage 161 formed in the connection pipe 160.
  • the aqueous secondary battery 100 including the carbon dioxide processor 140 is charged, and the discharge process is illustrated in FIGS. 5 to 8.
  • the discharge process through the filler 1 outlet 113 is also as described above in detail through [Scheme 1] to [Scheme 13].
  • FIG. 9 is a view showing a schematic configuration of a composite system having an aqueous secondary battery using carbon dioxide according to another embodiment of the present technology.
  • the composite system 1000 discharges using carbon dioxide gas (CO 2 ) as a raw material, and generates a hydrogen gas (H 2 ) during discharge.
  • CO 2 carbon dioxide gas
  • H 2 hydrogen gas
  • the reformer 300 produces reformed gas rich in hydrogen from the hydrogen containing fuel and additionally generates carbon dioxide gas.
  • the reformer 300 will be described as a methane-steam reformer that produces hydrogen (H 2 ) by the reforming reaction of methane (CH 4 ) and steam (H 2 O).
  • carbon monoxide (CO) and hydrogen are produced by the chemical reaction of methane and water vapor, and hydrogen can be finally produced by the chemical reaction of carbon monoxide and water vapor.
  • Hydrogen produced by the methane-steam reformer 300 is supplied to fuel such as the fuel cell 110 by the reforming gas supply unit 600.
  • the methane-steam reformer 300 has many advantages as described above, but as can be seen in [Reaction Scheme 14], the steam must be supplied from the outside for the operation of the process, and global warming as a byproduct of hydrogen production. There is a problem that carbon dioxide, which is the main cause of environmental problems, must be generated. However, in the case of the present technology, the carbon dioxide generated from the methane-steam reformer 300 is discharged into the atmosphere or transferred to a separate carbon dioxide collection and storage process, instead of the carbon dioxide supply unit 400 for the discharge reaction of the aqueous secondary battery 100.
  • the fuel cell 200 generates electric energy while generating water by a chemical reaction between hydrogen and oxygen.
  • the fuel cell 200 has many advantages in terms of environment friendliness, but should be supplied with hydrogen extracted from the methane-steam reformer 300.
  • the fuel cell 200 is constructed as one system with the aqueous secondary battery 100 and thus receives hydrogen gas generated in the discharge process of the aqueous secondary battery 100, thereby significantly improving efficiency. Can be.
  • the hydrogen supply unit 500 supplies hydrogen gas, which is generated as a by-product during the discharge of the aqueous secondary battery 100, as a fuel of the fuel cell 200.
  • the aqueous secondary battery using carbon dioxide as a fuel can remove carbon dioxide and produce hydrogen and sodium bicarbonate. Therefore, it is also possible to apply to uses, such as a carbon dioxide collection device, a hydrogen generator, and a composite generator.

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Abstract

본 기술은 수계 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온실가스인 이산화탄소를 이용하는 수계 이차전지 및 이를 구비하는 복합 시스템을 제공하는 것이다. 본 기술에 의하면 앞서서 기재한 본 기술의 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.

Description

이산화탄소를 이용한 수계 이차전지 및 이를 구비하는 복합 시스템
본 기술은 수계 이차전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 온실가스인 이산화탄소를 이용하는 수계 이차전지 및 이를 구비하는 복합 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 기술의 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.
본 기술의 주된 목적 중 하나는 온실 가스인 이산화탄소를 연료로 사용하는 수계 이차전지를 제공하는 것이다.
본 기술의 다른 주된 목적 중 하나는 이산화탄소를 연료로 사용하면서 친환경 연료인 수소를 함께 생산할 수 있는 수계 이차전지를 제공하는 것이다.
본 기술의 또 다른 주된 목적 중 하나는 이산화탄소를 연료로 사용하면서 탄산수소나트륨을 함께 생산할 수 있는 수계 이차전지를 제공하는 것이다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 일 실시예에 따르면, 제1 수용 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 수계 전해질에 함침되는 캐소드를 구비하는 캐소드부, 제2 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 포함하는 수계 이차전지가 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 다른 일 실시예에 따르면, 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 포함하는 복합 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따르면, 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 포함하는 복합 시스템이 제공된다.
상기한 본 기술의 목적을 달성하기 위하여, 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따르면, 이산화탄소를 원료로 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 포함하는 복합 시스템이 제공된다.
본 기술에 의하면 앞서서 기재한 본 기술의 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 기술의 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 염소 이온을 포함하는 전해질인 경우를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 기술의 다른 일 실시예에 따른 수계 이차전지의 방전 과정을 도시한 모식도이다.
도 6은 도 5에 도시된 수계 이차전지의 충전 과정을 도시한 모식도로서, 캐소드부에 사용되는 수계 전해질이 중성 전해질인 경우를 설명하는 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 수계 이차전지의 충전 과정을 도시한 모식도로서, 캐소드부에 사용되는 수계 전해질이 염기성 전해질인 경우를 설명하는 도면이다.
도 8은 도 5에 도시된 수계 이차전지의 충전 과정을 도시한 모식도로서, 캐소드부에 사용되는 수계 전해질이 염소 이온을 포함하는 전해질인 경우를 설명하는 도면이다.
도 9는 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용하는 수계 이차전지를 구비하는 복합 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 기술의 실시예의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 기술의 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 수계 이차전지의 구성이 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 기술의 일 실시예에 따른 수계 이차전지(100)는, 캐소드부(110)와, 애노드부(120)와, 캐소드부(110)와 애노드부(120)의 사이에 개재되는 고체 전해질(130)을 포함한다. 수계 이차전지(100)는, 방전 과정에서 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 원료로 사용하며, 고순도의 수소(H2)와 베이킹소다로도 불리는 탄산수소나트륨(NaHCO3)과 고순도의 수소(H2)를 함께 생산할 수 있다.
캐소드부(110)는 일측이 고체 전해질(130)에 의해 구획되는 제1 수용 공간(116)에 수용되는 수계 전해질(111)과, 수계 전해질(111)에 함침되는 캐소드(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 위치하는 제1 유입구(112)와, 제1 수용 공간(116)의 상부에 위치하는 제1 배출구(113)가 형성된다. 제1 유입구(112)를 통해서는 수계 전해질(111) 및 방전 과정에서 원료로 이용되는 이산화탄소가 제1 수용 공방전 과정에서 생성된 가스가 외부로 배출된다. 도시되지는 않았으나, 제1 유입구(112)와 제1 배출구(113)는 충전 및 방전시 밸브 등에 의해 선택적으로 적절히 시기에 맞춰서 개폐될 수 있다. 제1 수용 공간(116)에 수용되는 수계 전해질(111)은 중성 수계 전해질, 염기성 수계 전해질 및 염소 이온을 포함하는 전해질 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.
애노드부(120)는 일측이 고체 전해질(130)에 의해 구획되는 제2 수용 공간(126)에 수용되는 유기 전해질(121)과, 유기 전해질(121)에 함침되는 애노드(125)를 구비한다. 애노드(125)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(125)의 표면에는 음극 활물질층이 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 애노드(125)가 나트륨 금속을 포함하는 물질인 것으로 설명하는데, 나트륨 금속 외에 다른 금속(예를 들어, Li, Mg 등)이 사용될 수도 있다.
고체 전해질(130)은 벽 형태로 캐소드부(110)와 애노드부(120)의 사이에 배치되어서 양면이 각각 캐소드부(110)의 제1 수용 공간(116)에 수용된 수계 전해질(111) 및 애노드부(120)의 제2 수용 공간(126)에 수용된 유기 전해질(121)과 접촉한다. 고체 전해질(130)은 캐소드부(110)와 애노드부(120)의 사이에서 나트륨 이온만 선택적으로 통과시킨다. 본 실시예에서는 나트륨 이온을 효율적으로 전달할 수 있도록 나시콘(NASICON: Na super ion conductor)인 Na3Zr2Si2PO12로 형성되는 것으로 설명한다.
이제, 위에서 구성 중심으로 설명된 수계 이차전지(100)의 충간(116)으로 유방전 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 중탄산염(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(120)에서는 다음 [반응식 3]과 같은 전기적 반응이 이루어진다.
[반응식 3]
2Na(s) → 2Na+(aq) + 2e-
즉, 애노드부(120)에서 나트륨(Na)은 나트륨 양이온(Na+)과 전자(e-)로 분해되고, 나트륨 양이온(Na+)은 고체 전해질(130)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 중탄산염(HCO3 -)은 애노드부(120)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.
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(120)로 이동하게 된다.
또한, 애노드부(120)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(120)로 이동하게 된다.
또한, 애노드부(120)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 염소 이온을 포함하는 전해질인 경우의 충전 반응을 설명하는 도면이다. 수계 전해질이 염소 이온을 포함하는 전해질인 경우, 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(120)로 이동하게 된다.
또한, 애노드부(120)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, 염소 이온을 포함하는 전해질을 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 5에는 본 기술의 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용한 수계 이차전지의 구성이 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 본 기술의 다른 일 실시예에 따른 수계 이차전지(100)는, 상기에서 설명한 수계 이차전지의 구성에 이산화탄소 처리부(140)와, 이산화탄소 순환 공급부(150)와, 캐소드부(110)와 이산화탄소 처리부(140)를 연통시키는 연결관(160)을 더 포함한다.
이산화탄소 처리부(140)는 제3 수용 공간(146)에 수용되는 수계 전해질(111)을 구비한다. 이산화탄소 처리부(140)에는 제3 수용 공간(146)으로 이산화탄소가 유입되는 제2 유입구(142)와, 연결관(160)이 연결되는 연통구(143)와, 제3 수용 공간(146)의 상부에 위치하는 제2 배출구(144)가 형성된다.
제2 유입구(142)는 제3 수용 공간(146)에서 연통구(143)보다 위에 위치하고, 제2 배출구(144) 및 수계 전해질(111)의 수면보다 아래에 위치한다. 제2 유입구(142)를 통해 방전 과정에서 연료로 사용되는 이산화탄소 기체가 제3 수용 공간(146)으로 유입된다. 제2 유입구(142)를 통해 필요에 따라 수계 전해질(111)도 공급될 수 있다. 제2 유입구(142)와 제2 배출구(144)는 충전 및 방전시 밸브 등에 의해 선택적으로 적절한 시기에 맞춰서 개폐될 수 있다.
연통구(143)는 제3 수용 공간(146)에서 제2 유입구(142)보다 아래에 위치하며, 연통구(143)에는 연결관(160)이 연결된다. 연통구(143)를 통해 제3 수용 공간(146)은 제1 수용 공간(116)과 연통된다.
제2 배출구(144)는 제3 수용 공간(146)에서 제2 유입구(142) 및 수계 전해질(111)의 수면보다 위에 위치한다. 제2 배출구(144)를 통해 제3 수용 공간(146)에서 수계 전해질(111)에 용해되지 않아서 이온화되지 않은 이산화탄소 기체가 외부로 배출된다. 제2 배출구(144)를 통해 배출된 이산화탄소 가스는 이산화탄소 순환 공급부(150)를 통해 제2 유입구(142)로 공급된다.
이산화탄소 순환 공급부(150)는 제2 배출구(144)를 통해 배출되는 이산화탄소 가스를 제2 유입구(142)로 순환시켜서 재공급한다.
연결관(160)은 제1 수용 공간(116)의 제1 유입구(112)와 제3 수용 공간(146)의 연통구(143)을 연결한다. 연결관(160)의 내부에 형성되는 연결 통로(161)를 통해 제1 수용 공간(116)과 제3 수용 공간(146)이 연통된다.
상기 이산화탄소 처리부(140)을 포함하는 수계 이차전지(100)의 충입되며, 방전 과정은 도 5 내지 도 8에 도시되어 있다. 상기 충제1 배출구(113)을 통해서는 방전 과정은 또한 [반응식 1] 내지 [반응식 13]을 통해 앞서 상세하게 설명된 바와 같다.
도 9는 본 기술의 또 다른 일 실시예에 따른 이산화탄소를 이용하는 수계 이차전지를 구비하는 복합 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 본 기술의 일 실시예에 따른 복합 시스템(1000)은 이산화탄소 가스(CO2)를 원료로 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 8을 통해 설명된 수계 이차전지(100)로서, 도 1 내지 도 8을 참고하여 상세하게 설명된 바와 같이 방전 과정에서 이산화탄소 가스를 원료로 사용하고 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 수고 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 기술의 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 기술의 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 기술을 설명하였으나, 본 기술은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 기술의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 기술에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다
본 실시예에 의한 이산화탄소를 연료로 사용하는 수계 이차전지는 이산화탄소를 제거하고 수소와 탄산수소나트륨을 생산할 수 있다. 따라서, 이산화탄소 포집 장치, 수소 발생기, 복합 발전기 등의 용도로의 응용도 가능하다.

Claims (21)

  1. 제1 수용 공간에 수용되는 수계 전해질과, 상기 수계 전해질에 함침되는 캐소드를 구비하는 캐소드부;
    제2 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 포함하는 수계 이차전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드부에는 방전 시 상기 제1 수용 공간에서 발생하는 기체가 배출되도록 상기 제1 수용 공간에 수용되는 수계 전해질의 수면보다 위에 위치하는 제1 배출구가 형성되는 수계 이차전지.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드부에는 방전 시 상기 이산화탄소를 선택적으로 환원시키는 촉매가 사용되며, 상기 촉매는 백금류, 카본류, 그래핀류 중 적어도 어느 하나가 사용되는 수계 이차전지.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드부에는 산소발생반응(OER)을 위한 이리듐, 루테늄 산화물 촉매 도는 페로브스카이트 산화물 촉매가 사용되는 수계 이차전지.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체 전해질은 Na3Zr2Si2PO12으로 형성되는 수계 이차전지.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 수용 공간과 연통되는 제3 수용 공간에 수용되는 상기 수계 전해질을 구비하는 이산화탄소 처리부를 더 포함하고,
    상기 이산화탄소 처리부에는 상기 제3 수용 공간에 수용되는 상기 수계 전해질의 수면보다 아래에 위치하고 방전시 이산화탄소 기체가 유입되는 유입구가 형성되며,
    상기 제3 수용 공간에서 상기 제1 수용 공간과 연통되도록 형성된 연통구는 상기 유입구보다 아래에 위치하는 수계 이차전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 수계 이차전지의 방전 시, 상기 이산화탄소 처리부는, 상기 제3 수용 공간의 수계 전해질로 유입되는 이산화탄소 기체에 의하여 형성된 중탄산이온을 상기 제1 수용 공간의 수계 전해질로 공급하고, 상기 유입되는 이산화탄소 기체 중 이온화되지 않은 이산화탄소 기체를 수집하는 수계 이차전지.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는,
    상기 이온화되지 않은 이산화탄소 기체를 상기 수계 전해질과의 비중 차이에 의하여 수집하는 수계 이차전지.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부는,
    상기 이온화되지 않은 이산화탄소 기체를 상기 제3 수용 공간의 상기 수계 전해질의 수면 상부에서 수집하는 수계 이차전지.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 처리부에는 방전 시 상기 제3 수용 공간에 수용되는 수계 전해질에 용해되지 않은 이산화탄소가 배출되도록 상기 제3 수용 공간에 수용되는 수계 전해질의 수면보다 위에 위치하는 제2 배출구가 형성되는 수계 이차전지.
  11. 제 6 항에 있어서.
    상기 제2 배출구를 통해 배출되는 이산화탄소를 방전시 상기 유입구로 공급하는 이산화탄소 순환 공급부를 더 포함하는 수계 이차전지.
  12. 제 1 항 또는 제 6 항에 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 수계 이차전지.
    [반응식 4]
    2Na(s) + 2CO2(g) + 2H2O(l) → 2NaHCO3(aq) + H2(g)
  13. 제 1 항 또는 제 6 항에 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 수계 이차전지.
    [반응식 7]
    4Na+(aq) + 2H2O(l) → O2(g) + 4H+(aq) + 4Na(s)
  14. 제 1 항 또는 제 6 항에 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 수계 이차전지.
    [반응식 10]
    4Na+(aq) + 4OH-(aq) → O2(g) + 2H2O(l) + 4Na(s)
  15. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 수계 전해질은 염소 이온을 포함한 전해질이며,
    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 수계 이차전지.
    [반응식 10]
    4Na+(aq) + 4OH-(aq) → O2(g) + 2H2O(l) + 4Na(s)
    [반응식 13]
    2Na+(aq) + 2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2Na(s)
  16. 제 1 항 또는 제 6 항에 따른 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 포함하는 복합 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 개질기는 메탄(CH4)과 수증기(H2O)의 개질 반응에 의해 수소(H2)를 생산하는 메탄-수증기 개질기인 복합 시스템.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 수계 이차전지에서 발생한 수소를 상기 연료전지의 연료로 공급하는 수소 공급부를 더 포함하는 복합 시스템.
  19. 제 1 항 또는 제 6 항에 따른 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 포함하는 복합 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 개질기는 메탄(CH4)과 수증기(H2O)의 개질 반응에 의해 수소(H2)를 생산하는 메탄-수증기 개질기인 복합 시스템.
  21. 제 1 항 또는 제 6 항에 따른 이산화탄소를 원료로 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 포함하는 복합 시스템.
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