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연료전지(fuel cell)란 연료(수소, 탄화수소, 알코올 등)가 갖는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 전기화학적 에너지 변환 장치이다.
연료전지는 일반적으로 전해질의 종류에 따라 분류되는데 대표적으로 저온에서 작동되는 고분자형(PEMFC), 인산형(PAFC), 알칼리형(AFC) 등을 들 수 있고, 65℃ 이상의 고온에서 작동되는 연료전지로는 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고체산화물 연료전지를 들 수 있다. 고체산화물 연료전지는 전해질로 YSZ(yttriastabilized zirconia)와 같은 고이온전도성 세라믹소재를 사용하는데 다른 연료전지보다 저가의 재료를사용할 수 있고 연료의 불순물에 대한 허용도가 높으며 내부개질형의 경우 연료를 시스템 외부에서 따로 개질할 필요가 없이 탄화수소계 연료를 사용할 수 있어 연료전지 시스템의 단순화와 가격 저하가 가능하다. 또한 고체산화물 연료전지는 고온에서 운전되므로 자체 발전 효율이 다른 연료전지에 비해 높고 가압조건에서도 운전이 가능하여 연료전지의 성능이 증가할 뿐만 아니라 가스터빈 등과의 연계를 통해 복합발전이 가능하여 전체발전 시스템의 효율을 70% 이상 증가시킬 수 있다.
작동 온도 700℃ 이하의 중·저온에서 운전할 수 있는 고체산화물 연료전지는 저온화에 따라 재료 선택의 폭이 넓어져 가격을 낮출 수 있고 분리판 또한 값이 싼 금속재료를 사용할 수 있다. 또한 저온화에 따라 시스템의 내열 요구도가 완화되므로 시스템 구성 재료의 신뢰성 및 수명이 증가하여 시스템의 저비용화도 가능하게 된다. 이처럼 작동온도의 저온화는 값싼 재료 및 공정 개발을 유도하여 강도가 우수한 금속지지형 고체산화물 연료전지(metal-supported SOFC)에 대한 연구도 진행되고 있다.
 고체산화물 연료전지 개요 및 작동 원리
고체산화물 연료전지의 단위셀은 일반적으로 그림 1과 같이 중앙에 전해질(electrolyte)이 있고 양쪽에 연료극(anode)과공기극(cathode)이 있으며 그 바깥쪽에 연결재(interconnect)가 있다. 셀의 성능 향상을 위해 이중의 전극구조를 사용하거나 전극과 전해질 사이에 기능층을 사용하기도 한다. 전해질을 사이에 두고 양전극에 산소와 수소를 공급해 주면 공기극과 연료극 측간에 산소 분압 차이가 형성되어 전해질을 통해 산소가 이동하려는 구동력이 생기게 된다. 공기극에서는 산소가 전자를 받아 산소 이온으로 되어 전해질 막을 통과하여 연료극으로 이동하고, 연료극에서는 산소 이온이 전자를 방출하고 수소가스와 반응하여 수증기로 된다. 이렇게 방출된 전자를 통해 전기에너지가 발생하게 되며 이 전기에너지를 인출하여 전력을 생산하게 된다. 독일 율리히연구소에서 개발한 전형적인 단위 셀 전극 및 전해질 미세구조를 그림 2와 같다. 그림에서 보듯이 전해질은 가스를 직접 투과시키지 않기 위해 치밀한 구조를 가져야 하며 산소 이온 전도성은 높을수록 좋지만 전자전도성은 매우 낮아야 한다.
연료극과 공기극은 각각 연료가스와 산소가 잘 확산되어 들어갈 수 있도록 다공질이어야 하며 높은 전자전도성을 지녀야 한다.
전해질
SOFC는 고체산화물의 산소 이온 전도 특성에 그 원리를 두고 있다. 산소 이온 전도가 일어나는 산화물 고체전해질의 한 쪽은 공기(산소분압~ 0.21기압)와 접촉하며, 다른 한 쪽은 연료(수소의 경우 일반적으로~ 10-19기압)와 접촉하게 하면 양단의 산소 분압 차이에 의해 산소 이온이 이동하게 되고 양단에 기전력이 발생하여 외부회로에 전류를 흐르게 하는 것이다. 이러한 산소 이온 전도 특성이 SOFC의 작동 온도 및 성능을 결정하는데 핵심적인역할을 하므로 전해질은 SOFC의 핵심 부품인 셀 중에서도 가장 중추적인 역할을 하는 부분이라 할 수 있다. SOFC에서 이상적인 전해질은 공기와 연료가 혼합되지 않도록 치밀해야 하고 산소 이온전도도가 높고 전자전도도가낮아야 한다.
또 한 전해질은 양쪽에 산소 분압차가 아주 크기 때문에 넓은 산소 분압 영역에서 위의 물성을 유지해야 한다.
공기극(cathode)
공기극에서는 전극 표면에 흡착된 산소가 해리/표면확산을 거쳐 전극/전해질의 삼상계면으로 이동하여 전자를 얻어 산소 이온으로 되고 생성된 산소 이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하게 된다.
공기극은 높은 이온전도도와 전자전도도(50S/cm)를 갖고, 산화분위기에서 안정하며 다른 구성요소와 화학반응 및 상호확산이 없을 뿐만 아니라 열팽창계수가 유사한 다공성 막이어야 한다. SOFC에서는 높은 가동온도로 인해 귀금속이나 전기전도성을 가지고 있는 산화물만이 공기극 재료로 사용될 수 있다. 백금, 팔라듐, 은과 같은 귀금속은 상당히 고가이기 때문에 실제 응용하기엔 부적합하며 특히 은의 경우 장기간 사용하게 되면 증발로 인해 불안정해 진다. 불순물이 첨가되거나 혼합된 산화물이 주로 연구되고 있으며, 공기극으로 사용되는 재료로는 주로 perovskite 구조의 LaMnO₃ 및 LaCoO₃계에 첨가된 물질들이다.
연료극(anode)
SOFC 연료극의 주요 기능은 연료의 전기화학적 산화 반응이 일어나는 자리를 제공하는 것이다. 이에 연료극 촉매는 연료 산화 촉매 물성이 아주 중요하고 전해질이나 연결재 재료와 화학적으로 안정해야 하며 열팽창 계수도 유사해야 한다. 또 전해질 두께를 최소화하기 위해 연료극을 지지체로 하는 구조에 대한 연구도 진행되고 있어 기계적 물성 및 열 사이클에 대한 안정성도 매우 중요하다.
연료극 재료로 많이 사용되는 물질은 Ni를 포함한 cermet이며 주로 Ni-YSZ cermet이나 Ni-GDC cermet이 많이 사용된다. Ni를 포함하는 연료극 재료는 수소 연료하에서는 뛰어난 전기 촉매 특성을 보이나 수소 대신에 천연 가스와 같은 탄화수소계 연료를 사용하는 경우 카본침적과 황 피독에 의해 활성 저하가 일어나므로 이를 방지하기 위해 (Y₂O₃)0.15 (CeO₂)0.85 (YDC)다공성 층을 전해질과 연료극 사이에 설치하거나 탄화수소에 비활성 인 Cu, Au, Ag와 같은 물질을 Ni과 치환 또는 합금해 사용하는 방식 등이 연구되고 있다.
연결재(interconnect)
연결재는 SOFC 스택 제조를 위한 핵심 재료이다. 연결재는 셀에서 연료와 공기를 분리하여 교차되지 않도록 해 분리판이라 부르기도 한다. 연결재는 기본적으로 한 셀의 연료극과 이웃하는 셀의 공기극을 전기적으로 연결하는 역할(연결재)과 공기극에 공급되는 공기와 연료극에 공급되는 연료 가스를 물리적으로 차단하는 역할(분리막)을 한다. SOFC에 사용되는 연결재는 전기적 연결을 위한 높은 전기전도도(1S/cm 이상), 공기극 및 연료극 분위기 내에서의 화학적 안정성, SOFC 셀 구성요소들과의 열팽창계수 일치, 스택을 지지하기 위한 기계적 강도, 가공 용이성 및 가격 경제성 등이 요구된다. 고온에서의 안정성 문제로 LaCrO₃계열의 세라믹 연결재를 쓰는 것이 일반적이나 SOFC의 작동 온도를 낮추려는 노력과 함께 우수한 전기전도도, 기계적 강도, 가공 용이성 등을 가지는 금속 연결재를 활용하는 연구도 이뤄지고 있다.
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출처 : 최준환, 최종진, 박동수 ‘고체산화물 연료전지 셀 소재 및 제조 기술 동향’
[기계와재료] 21권 제2호 |
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