고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 용융 탄산염 연료 전지보다 높은 온도에서 작동하며 작동 온도 범위는 800~1000도입니다. 이러한 유형의 연료 전지에서 기전력은 전지 양쪽의 서로 다른 산소 분압에서 발생합니다. 개별 셀은 두 개의 전극(음극인 연료 전극과 양극인 산화제 전극)과 전해질로 구성됩니다. 양극과 음극의 주요 기능은 전자를 전도하고 반응 가스와 생성물 가스에 대한 확산 경로를 제공하는 것입니다.
고체 전해질은 가스를 양쪽에서 분리합니다. 양쪽의 산소 분압이 다르기 때문에 산소의 화학적 전위 구배가 생성됩니다. 이러한 화학 전위 구배의 영향으로 음극에서 전자를 얻은 산소 이온은 고체 전해질을 통해 양극으로 이동합니다. 양극에서 전자가 방출되어 두 극 사이에 전압 전위가 생성됩니다.
고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 고체 비다공성 금속 산화물을 전해질로 사용하는 3세대 연료 전지로 선전되며, 이를 통해 산소 이온이 결정 내에서 이동하여 이온을 운반합니다. 이제 기술은 성숙한 단계에 이르렀습니다. 그러나 고온에서 작동할 수 있는 재료의 수가 제한되어 있고 가격이 높기 때문에 중온도 연료전지 개발 방향으로 전환되고 있습니다.
원칙
고체 산화물 연료 전지(SOFC)가 개질 가스(수소와 CO의 혼합물)를 연료로 사용하여 작동할 때 연료 전지 내에서 다음과 같은 반응이 발생합니다.
음극에서 산소 분자는 전자를 얻고 산소 이온으로 환원됩니다.
O2+4e−→2O2−
전해질막 양측의 전위차와 농도구동력의 영향으로 산소이온은 전해질막의 산소공극을 통해 양극측으로 직접 전이되어 연료와 산화반응을 일으킨다.
H2+O2-→H2O+2e-
CO+O2-→콜로2+2e-
전반적인 반응:
H2+CO+O2→콜로2+H2O
구성
전기에너지 변환 기능을 원활하게 수행하기 위해서는 SOFC(고체산화물 연료전지) 스택에 다음 구성요소가 포함되어야 합니다.
(1) 고체 전해질과 양극 및 음극으로 구성된 전기화학적 변환 장치. 전해질 재료 중에서 이트리아 안정화 지르코니아가 가장 성숙하게 개발되었습니다.
(2) 연료 개질기. 이 장치에는 촉매, 담체, 용기가 포함됩니다. 연료를 메탄과 같은 작은 기체 분자로 변환하며, 셀 스택의 전단에 위치하여 연료전지 작동 시 발생하는 열을 교환합니다.
(3) 가스 및 연료 운송 채널(또는 가스 분배기). 금속은 일반적으로 반응물의 최적 확산 및 이동을 보장하기 위한 도관 재료로 사용됩니다.
(4) 전기 브러시라고도 알려진 집전체는 일반적으로 전자 전도성이 좋은 금속이나 재료로 만들어지며 효율적인 전도를 위해 필수적입니다.
(5) 센서. 다양한 상용 센서를 사용하여 셀의 온도, 전류, 화합물 유형 및 출력 전압을 모니터링할 수 있습니다.
(6) 단열층, 냉각기, 열 교환기 및 환기 시스템과 같은 열 제어 장치.
(7) 금속 또는 유리-세라믹 하우징. 스테인리스 스틸 304 등 상온에서 사용 가능한 재질을 사용합니다. SOFC와의 내부 접촉에는 고온 내성 재료가 필요하므로 상업용 금속 합금이 제조 비용 절감에 유리합니다.
형질
고체산화물 연료전지(SOFC)는 이상적인 유형의 연료전지로, 다른 연료전지의 높은 효율성과 환경친화적인 장점을 보유할 뿐만 아니라 다음과 같은 두드러진 특성을 갖추고 있습니다.
(1) SOFC는 완전히 견고한 구조를 가지고 있어 액체 전해질 사용과 관련된 부식 문제 및 전해질 손실 문제를 제거하여 장기 작동 가능성을 제공합니다.
(2) 800~1000도 사이의 온도에서 작동하는 SOFC는 귀금속 촉매가 필요하지 않을 뿐만 아니라 천연가스, 합성가스, 탄화수소를 연료로 직접 사용할 수 있어 연료전지 시스템을 단순화합니다.
(3) SOFC는 고온의 폐열을 방출하는데, 이를 가스터빈이나 증기터빈과의 복합사이클로 활용해 전체적인 발전효율을 크게 향상시킬 수 있다.
