SOFC (solid oxide fuel cell)
SOFC는 연료를 산화시킴으로써 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접적으로 생산해 내는 전기 화학적 에너지 변환 장치입니다. 보통 연료전지는 그들의 전해질의 물질에 따라 특정지어지는데 SOFC는 고체 산화물 전해질 또는 세라믹 전해질을 가지고 있고 이 전해질은 산소 음이온을 cathode(음극)에서 anode(양극)로 전달합니다. 따라서, 수소 이온 또는 일산화탄소에 의한 산소 이온의 전기 화학적 산화는 anode(양극) 측에서 발생합니다. 이때 anode(양극)와 cathode(음극)는 전해질을 코팅하는 특별한 잉크로 만들어져서 다른 유형의 연료전지들과 달리 귀금속, 부식성 산 또는 용융 물질이 필요하지 않습니다.
작동원리 및 장점과 단점
이러한 연료전지는 다른 에너지 변환 시스템 보다 월등히 높은 효율을 가지고 있으며, 특히 SOFC 의 경우 고온에서 작동하기 때문에 비싼 촉매가 필요 없으며, 연료의 자유도 역시 높은 편입니다. 그리고 조용하고 진동이 없이 작동하기 때문에 소음이 적습니다. 또한 이들의 효율은 열 엔진의 carnot cycle에 의해 제한되지 않습니다. SOFC는 직접적으로 CO와 CH4을 내부에서 개질시킬 수 있기 때문에 탄화수소 연료를 개질 시키는 과정에 의해 수소가 발생되는 응용 장치들에 잘 쓰입니다. 수소, 일산화탄소, 메탄은 SOFC에 공급되는 반면에 수소는 전기를 생산하기 위해 실제로 전환되는 연료가 됩니다. CO와 메탄은 800~1000 °C 의 물이 있는 조건 하에서 water gas shift 공정이나 내부 개질 과정을 통해 수소로 전환됩니다. 그러나 작동온도가 500~1,000 °C로 매우 높아 시작하는 데 걸리는 시간이 깁니다. 하지만 이런 높은 작동온도는 SOFC가 열 엔진 에너지 회수장치 또는 열과 전력을 결합한 적절한 응용되어 전체적인 연료의 효율을 증가시킬 수 있습니다. SOFC의 높은 작동 온도 때문에 SOFC의 수명 및 내구성은 시동 및 냉각 사이클의 횟수에 따라 달라집니다. 600 ° C의 온도에서도 충분한 이온 전도가 가능한 개선된 전극 물질을 가진 LT SOFC가 개발 중입니다. 작동 온도가 낮으면 재료 스트레스가 적어지고 현재의 고가 재료 대신 금속 재료 솔루션으로 인해 시스템의 밀봉 문제가 간단해집니다. 또한 앞에서 말했듯이 이러한 고온의 작동온도 때문에 메탄, 프로판 및 부탄과 같은 가벼운 탄화수소 연료가 anode(양극) 안에서 내부적으로 개질 될 수 있으며 SOFC는 가솔린, 디젤, 제트 연료 (JP-8) 또는 바이오 연료와 같은 무거운 탄화수소를 외부에서 개질 함으로써 연료를 공급받을 수 있습니다. 이러한 개질물은 SOFC 양극의 상류 측 장치에서 탄화수소 연료를 공기 또는 증기와 반응시킴으로써 형성된 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 증기 및 메탄의 혼합물이다. SOFC 전력 시스템은 흡열 수증기 개질 공정을 위해 연료 전지 내에서 발열 전기 화학적 산화에 의해 발산되는 열을 이용함으로써 효율을 증가시킬 수 있습니다. 또한, 석탄 및 바이오 매스와 같은 고체 연료는 가스화되어 통합 가스화 연료 전지 전력 사이클에서 SOFC에 연료를 공급하기에 적합한 합성 가스를 형성할 수 있습니다. 내부 개질 과정 덕분에 SOFC는 CO와 메탄의 유량에 제한이 없습니다. 그러나 Nickel의 오염을 막기 위해서는 연료를 주입하는 단계에서 탈황 장치를 이용하여 황을 제거시켜주어야 합니다.
응용분야
SOFC는 다양한 응용분야에서 활용됩니다. 일반적으로 가정용 전력 공급 시스템에 사용되어 가정에서 전기를 공급받는 동시에 열을 생산하여 난방 및 온수 공급에 활용할 수 있습니다. 상업용 건물이나 회사 사무실에서 sofc를 사용하면 전력 소비를 효율적으로 관리할 수 있습니다. 이에 따라서 에너지 비용이 절감되고 동시에 친환경적인 전력 생산 또한 가능합니다. 또한 SOFC는 군사 및 우주 항공 분야에서도 사용됩니다. 갑자기 전력 공급이 필요한 상황에서 사용될 수 있기 때문에 유용하고, 장기간 안전 운영이 가능하다는 장점을 가집니다. 이 밖에도 전기차, 해양 분야, 센서 및 응용 분야까지 다양한 분야에서 활용되고 있습니다. 지속가능한 신기술이 주목을 받으면서 SOFC도 함께 부상하고 있고 향후에는 지금보다 더 다양한 분야에서 적용이 가능할 것으로 예상됩니다. 산업 플랜트 및 전력 그리드 보조 시스템 등의 분야에서 SOFC의 사용이 더욱 증가할 것입니다. 또한 SOFC의 기술은 계속해서 발전되고 있어서 미래에는 더 높은 효율을 가지는 시스템이 개발될 것입니다. 이 기술을 이용하면 더 많은 전기를 생산하고, 더 적은 연료를 사용하며, 에너지 효율성은 극대화시킬 수 있습니다. 하지만 SOFC 기술은 여전히 활발한 연구 개발 단계 중입니다. 이것은 새로운 소재 혹은 제조 기술이 도입되면 더 발전할 수 있다는 뜻입니다.