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고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 10. 14. 08:13 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

개요

 3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물로 전해질로 사용하는 연료전지로써, 1937년에 Bauer Preis에 의해 처음으로 작동되었다.

 고체산화물형 연료전지의 특징은 탄화수소를 직접 전기 변환시킬 수 있는데 있다. 전해질은 안정화된 산화이트늄으로 가스가 스며들지 않은 산 이온이 효율적으로 접촉하고 있는 얇은 산화지르코늄 층이다. Cathode는 안정된 산화이트늄으로 된 지르코늄으로 만들어졌고, anode는 니켈-지르코늄 세라믹 합금으로 만들어졌다.

고체산화물 연료전지 원리

고체산화물 연료전지 전해질

 전해질로서 신소재인 지르코니아(ZrO2)가 사용되며 작동온도가 700~1000로서 매우 고온에서 작동된다. Pt 촉매 없이 반응의 가속화가 가능하며 재료의 부식 및 전해질의 손실, 보충에 대한 문제가 없다. 전지 구성요소가 모두 고체이므로 다양한 형태의 제작이 가능하다.

현재까지 개발된 고체산화물 연료전지의 형태는 다음과 같다.

 SOFC는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700~1000)에서 작동한다. 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요 없으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 가능하다. 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 있다. 이런 장점 때문에 SOFC에 관해 여러 선진국들의 연구가 활발히 이루어지고 있다.

 일반적인 SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극) 및 연료극(음극)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되면, 이 때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리이다.

고체산화물 연료전지 과제

고체산화물형 연료전지의 가장 큰 특징은 운전 온도가 약 1000로써 매우 높다는 것이다. 이 온도에서는 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화 반응이 일어나고 촉매 없이 연료가 개질된다. 운전 온도 1000에서 금속 재료의 적당한 열적-기계적 강도를 요구하기 때문에 가스 누출 방지가 가장 중요한 과제이다. 세라믹 재료 기술의 개발은 고체산화물형 연료전지가 상업적으로 발전을 시작하기 전에 필요한 기술이다. 고체산화물형 연료전지는 상업적으로 자동차 응용에 연구되어 지고 있다 자동차에 사용하기 위한 이 전지 기술의 모형화가 전지전원 공급형 자동차가 아닌 전위밀도를 요구한 것과 접목시키는 것이 궁극적인 목적이다.

 SOFC의 특징은 다음과 같다.

1. 탄화수소를 직접 연료로 사용, CO로부터 안전함

2. 운전 온도는 약 5000~1000로로 열병합 발전 가능

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