연료전지 종류별 특징 IV – SOFC

연료전지 종류별 특징 IV – SOFC

7주차

대구가톨릭대학교 에너지신소재공학과 한윤수

■ 과목명: 연료전지이론

목 차

1. SOFC 개요 및 특징

2. SOFC용 핵심소재

3. SOFC 응용

1. SOFC 개요 및 특징

개요

■ 고체산화물 연료전지: Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) 1. SOFC 개요 및 특징

산화환원반응 고체산화물형 연료전지의 작동원리

Siemens의 열병합발전용 SOFC 시스템

5 ^{연료전지이론}

○ 특징: 고체상태의 비 다공성 고체산화물의 혼합물(ZrO₂+Y₂O₃)을 전해질로 사용 - 연료전지 가운데 가장 효율(55%, 열병합발전 시 90%)이 높고 공해가 적음 - 기하학적인 모양에 따라 원통형, 평판형, 일체형 등으로 구분

- 부식문제, 고가의 촉매, 전해질 제어, 외부 개질기 도입 등의 단점 없음 - 고온(약 600~1000℃ )에서 작동되기 때문에 구성요소의 대부분이 세라믹 및 내열성 금속으로 구성

- 재료간의 열팽창의 차이에 의한 기계적 변형 방지 필요

- 탄화수소를 직접 연료로 사용 가능하며, CO로부터 안전함 - 상업적으로 발전설비, 자동차 등의 응용을 위해 개발 중

1. SOFC 개요 및 특징 특징

장단점

○ 고온작동의 장점

- 고온에서 작동되므로 전극반응이 원활하고 전기출력이 큼 (MCFC 대비 보다 고온)

⇒ 따라서 Pt과 같은 고가의 촉매가 불필요

- 고온배기 기체를 유용하게 이용할 수 있으므로 전체 에너지효율이 높음 (MCFC 대비 보다 고온)

- 천연가스 등 탄화수소 연료를 전지내부에서 변환하여 사용가능 (MCFC 대비 보다 고온)

⇒ steam reforming: CH₄

+ H

O → 4H

+ CO

∙ CH

+ H

O → 3H

+ CO

∙ CO + H₂

O → H

+ CO

- 구성요소가 모두 고체이므로 다루기가 간편

1. SOFC 개요 및 특징

7 ^{연료전지이론} 장단점

○ 고온작동의 장점 (계속)

- 액체전해질의 경우와 달리 두 전극 사이의 압력차이에 견딜 수 있음 - 분해성 혹은 부식성 액체를 사용하지 않으므로 보수가 용이

- MCFC와는 달리 환원전극에 CO₂를 가할 필요가 없음

○ 고온작동의 단점

- 작동온도가 낮아질 경우 충분한 출력을 얻을 수 없음 - 고온에서 작동하므로 주변재료의 선택에 한계가 있음

1. SOFC 개요 및 특징

발전시스템

○ SOFC 시스템

- 발전의 기본 단위인 세라믹 셀, 셀의 결합체인 스택, 스택이 구동을 할 수 있도록 해주는 기계장치류(Mechanical-BOP), 전기장치류(Electrical-BOP)로 구성

※ 출처: 장재혁, “대용량 고체산화물 연료전지 기술개발 동향 및 전망“, 삼성전기 발표자료(2009).

1. SOFC 개요 및 특징

2. SOFC용 핵심소재

○ SOFC용 전해질 재료 - 요구조건

⇒ 이온 전도성이 우수하고, 전자전도의 혼입이 적을 것 ⇒ 고온의 산화-환원 분위기에서 안정할 것

⇒ 고온에서 주변재료와 화학반응 하여 성능저하가 없을 것 ⇒ 기계적 강도가 우수할 것

- Y₂O₃가 도핑된 ZrO₂(yittria stabilized zirconia; YSZ) 사용

⇒ 주로 8~10 mol%의 Y₂O₃를 도핑: 8mol%일때 이온(O^2-)전도도가 가장 높으나 시간경과에 따라 전도율 감소. 이를 보완하기 위해 현재는

10 mol% 도입.

⇒ Zr⁴⁺ 자리에 Y³⁺가 도핑되어 oxygen vacancy를 형성: 산소이온의 전도가 가능

2. SOFC용 핵심소재 전해질

11 ^{연료전지이론}

○ SOFC용 전해질 재료 (계속)

- 온도가 높을수록 이온전도도가 우수함

⇒ 1000℃에서 이온전도도 0.1S/cm  800℃이면 0.01S/cm

⇒ 저온작동을 위해서는 낮은 이온 전도도를 보상하기 위해 전해질 막이 얇아야 함

⇒ 전해질 막이 얇아지면 기계적 물성이 저하

전해질

※ 출처: 구또 데스이찌 외 공저, 윤창주역, “연료전지”, 겸지사 (p.181).

산소이온의 빈 격자점과 이온전도의 개략도

2. SOFC용 핵심소재

전극재료

○ 연료극(산화전극) 재료 : H₂ + O^2- → H₂O + 2e^- - Ni-YSZ cermet(부피비 약 1:1)을 주로 이용

⇒ Ni: 전자전도성 (산화반응에 의해 생성된 전자를 외부회로로 전달시키는 역할) ⇒ YSZ: 이온전도성 (산화반응에 필요한 산소이온을 전해질로부터 받아서

수소와 접촉시키는 역할) - 기공율: 약 40%

○ 공기극(환원전극) 재료: 1/2O₂ + 2e^- → O^2-

- LSM(La_1-xSr_xMnO₃; x는 약 0.2)-YSZ의 복합체를 주로 사용

⇒ LSM: 전자전도성 (외부회로로부터 전자를 받아 들여 산소의 환원반응을 진행) ⇒ YSZ: 이온전도성 (환원에 의해 생성된 산소이온을 전해질로 전달시키는 역할) - 기공율: 약 30~35%

- SOFC 연료가격 중 공기극 재료가 약 90%를 차지

2. SOFC용 핵심소재

13 ^{연료전지이론} 분리막 재료

○ Bipolar plate(분리막): 셀과 셀을 전기적으로 연결하고 연료와 공기를 분리시키는 역할

- Mg 혹은 Ca을 도핑한 LaCrO₃(LaCr_0.9Mg_0.1O₃ 혹은 La_0.9Ca_0.1CrO₃)주로 사용 ⇒ 고온의 원통형 스택

⇒ 산화/환원 분위기에서 우수한 안정성 ⇒ 다른 부품과 열팽창 계수가 비슷

⇒ 소결이 어렵고 환원분위기에서는 전자 전도성이 낮은 단점이 있음

- 작동온도가 800 ℃ 이하로 낮아질 경우 상대적으로 저가인 Fe-Cr 합금의 금속 분리막 사용가능

⇒ 전기/열전도도가 세라믹보다 우수, 저가, 대면적 용이

⇒ 산화전극 쪽의 산화분위기에 의해 금속의 산화로 인해 비저항 상승 등의 단점이 있음

2. SOFC용 핵심소재

3. SOFC 응용

15 ^{연료전지이론}

○ SOFC Target 시장

※ 출처: 장재혁, “대용량 고체산화물 연료전지 기술개발 동향 및 전망“, 삼성전기 발표자료(2009).

3. SOFC 응용

○ SOFC의 응용분야별 특징

※ 출처: 이기태, 고체산화물 연료전지(SOFC) 기술의 개발 현황 및 미래전망, 화학연합 (p.49).

3. SOFC 응용

17 ^{연료전지이론}

○ SOFC 국내외 개발 현황

- 미, 일, 유럽 등은 산업계 주도로 100kW급 이상의 대용량시스템 개발 및 2013년이후 상용화 추진중 - 국내는 2002년부터 국책과제 중심으로 개발 중, 최근 삼성, POSCO 등 대기업 참여

※ 출처: 장재혁, “대용량 고체산화물 연료전지 기술개발 동향 및 전망“, 삼성전기 발표자료(2009).

3. SOFC 응용

감사합니다.