자발적으로 온도를 유지하는
고 출력밀도의 마이크로 고체 산화물 연료전지
연료전지는 높은 에너지 효율 및 에너지 밀도, 빠른 연료 재공급 능력을 갖는 휴대용 발전기로서 많은 관 심을 끌고있다. 그 중 고분자 전해질 직접 메탄올 연 료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)는 리튬 이온 배터리의 대체품으로서 많은 연구가 진행되고 있으나, 높은 에너지 밀도를 갖는 탄화수소 연료를 사 용할 수 없다는 문제점을 가지고 있다. 한편, 고체 산 화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 탄 화수소 연료를 사용할 수 있지만 열관리 및 소형화의 어려움, 느린 작동 시간(start-up) 때문에 휴대용 전 자기기에 응용되기에는 역시 많은 문제점을 가지고
있다. 그러나 최근에 소개된 마이크로 고체 산화물 연 료전지는 자발적으로 온도를 유지할 수 있는 능력과 높은 출력 밀도, 프로판을 연료로 하여 단일실(single chamber)내에서 빠른 작동 시간을 갖는 등 기존 고 체 산화물 연료전지의 여러 문제점을 해결하고 있다.
이번에 소개할 마이크로 고체 산화물 연료전지는 프로판 연료와 산소 혼합 기체를 동시에 사용하는 단 일실 연료전지(SCFC, Single-Chamber Fuel Cell) 형태이다[그림 1]. 단일실 고체 산화물 연료전지의 성 능은 혼합 기체에 대한 선택성이 높은 양극과 음극을 기초로 하며, 이들은 수소와 일산화탄소에 대한 전기 화학적 촉매 역할을 한다. 특히 양극은 프로판 연료가
410 … NICE, 제23권 제4호, 2005
Ru+CeO2 layer,
~10 µm
Current collector,
~0.2 cm2
Current collector, 20~30 µm Electrolyte, 1.38 cm2,
~20 µm
Inner quartz tube, L: 15 mm, ID: 13.8 mm, OD: 15.9 mm
Outer quartz tube, ID: 16.9 mm, OD: 19.0 mm Cathode, 0.71 cm2, 5~10 µm
Anode
~0.7 mm
ID: 6.1 mm, OD: 9.5 mm
Thermal blanket, 5 mm wall, L: 65 mm
Fuel cell stack
Effluent C3H8+O2+He
그림 1. 마이크로 고체 산화물 연료전지.
Fuel-cell temperature (℃)Fuel-cell temperature (℃)
Furnace temperature (℃)
Time on stream (h)
100 200 300 400 500 600
0 50 100 150 200 with Ru+CeO2, heating
without Ru+CeO2, heating cooling
cooling
311℃ 361℃
461℃
Tcell = Tfurnace 800
600
400
200
800
600
400
200
0
그림 2. Ru+CeO
2촉매 유무에 따른 반쪽 전지의 온도
측정.
더욱 큰 전기화학적 활성을 갖기 위한 부분산화 (partial oxidation)의 촉매로 사용된다. 탄화수소의 산 화반응시 방출되는 열은 추가적인 외부의 열공급 없 이 연료전지의 온도를 유지하는데 사용된다. 마이크 로 고체 산화물 연료전지는 SDC(samaria-doped ceria) 전해질, 양극 Ni+SDC와 음극 BSCF(Ba0.5
Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ)+SDC를 사용하며, 낮은 온도에서 프로판 부분산화의 촉매 성능을 높이기 위해 양극 표 면에 Ru+CeO2다공성 막을 형성시키고, 이렇게 제작 된 셀들을 수정관 반응기에 고정시킨다.
연료의 부분산화를 일으키기 위해 노(furnace)의 온도를 상승시키면, Ru+CeO2 촉매를 사용했을 때, 촉매가 없는 경우보다 더 낮은 온도에서 산화가 일어 난다. 또한 노의 온도를 하강시키면, Ru+CeO2 촉매 가 없는 경우는 산화반응이 멈추지만 촉매가 존재할 때에는 셀의 온도가 계속 유지되면서 산화반응이 지 속됨을 알 수 있다[그림 2]. 또한 Ni+SDC 양극의 활 성온도는 약 400℃이나, Ru+CeO2촉매로 처리한 양
극은 활성온도가 이보다 낮은 약 300℃이다[그림 3].
이러한 프로판 산화의 높은 활성은 낮은 온도에서 더 욱 큰 발열 결과를 보여주며 외부로부터 열의 유입 없 이 연료전지의 운전이 가능한 것을 보여준다.
음극인 BSCF+SDC와 Ru+CeO2 촉매로 처리된 양극으로 구성된 연료전지의 출력을 조사하면[그림 4], 자발적으로 온도를 유지하는 상태의 개방전압 (OCV, Open Circuit Voltage)이 약 0.7V이며, 최고 전력 밀도 182~247mW/cm2, 0.8~1.1A/cm2 전류 밀도를 나타낸다. 또한 실질적 응용을 위해 이중실 (dual-chamber) 연료전지를 이용하면, 휴대용 MP3 를 작동시키기에 충분한 1.44V의 전압을 얻을 수 있다.
지금까지 소개한 마이크로 고체 산화물 연료전지는 첫째, 작동 온도를 기존의 900℃에서 500~600℃로 낮추었으며 둘째, 일정한 출력 전압을 얻기까지 휴대 용 전력 장치로의 응용이 가능한 1분 미만의 시간을 필요로 한다. 비록 아직까지 여러 기술적 문제가 남아 있지만, 이번 연구를 통해 고 에너지 밀도의 탄화수소
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 23, No. 4, 2005 … 411
신·기·술·소·개
Temperature (℃) CO2
CO H2O H2
CO2
Ru+CeO2 Ru+CeO2
C3H8 O2
C3H8 O2 Ni+SDC
Ni+SDC 3.0
2.0
1.0
0.0
100 80 60 40 20 0
1,000 800 600 400 200 0
100 80 60 40 20 0 3.0
2.0
1.0
0.0
3.0
2.0
1.0
0.0
Ni+SDC Ru+CeO2
Ni+SDC Ru+CeO2 CO
H2O H2
Yield per mole of feed propane (mol) Conversion (%) ∆H per mole of feed propane (kJ mol-1)Mole ratio, (CO + H2)/(CO2 + H2O)
Conversion (%)
Yield per mole of feed propane (mol)
Temperature (℃)
Temperature (℃)
Temperature (℃)
Temperature (℃)
Temperature (℃) 300 400 500 600 700 800 300 400 500 600 700 800 300 400 500 600 700 800
300 400 500 600 700 800 300 400 500 600 700 800
300 400 500 600 700 800
