고체산화물 전기분해에 의한 수소생산의 진전과 경제성 분석

고체산화물 전기분해에 의한 수소생산의 진전과 경제성 분석

고체산화물 전해조(SOE)는 고온 수증기(600~900°C)를 이용해 전기분해하는 방식으로 알칼리 전해조, PEM 전해조에 비해 효율이 좋다. 1960년대에 미국과 독일은 고온 수증기 SOE에 대한 연구를 시작했습니다. SOE 전해조의 작동 원리는 그림 4에 나와 있습니다. 재활용된 수소와 수증기는 양극에서 반응 시스템으로 들어갑니다. 수증기는 음극에서 수소로 전기분해됩니다. 음극에서 생성된 O2는 고체 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 그곳에서 재결합하여 산소를 형성하고 전자를 방출합니다.

알칼리성 및 양성자 교환막 전해 전지와 달리 SOE 전극은 수증기 접촉과 반응하며 전극과 수증기 접촉 사이의 계면 영역을 최대화해야 하는 과제에 직면해 있습니다. 따라서 SOE 전극은 일반적으로 다공성 구조를 갖는다. 수증기 전기분해의 목적은 에너지 강도를 줄이고 기존 액체 물 전기분해의 운영 비용을 줄이는 것입니다. 실제로 물 분해 반응에 필요한 총 에너지 요구량은 온도가 증가함에 따라 약간 증가하지만 전기 에너지 요구량은 크게 감소합니다. 전해 온도가 증가하면 필요한 에너지의 일부가 열로 공급됩니다. SOE는 고온 열원이 있는 상태에서 수소를 생산할 수 있습니다. 고온 가스 냉각식 원자로는 950°C까지 가열할 수 있기 때문에 원자력을 공기업의 에너지원으로 사용할 수 있습니다. 동시에 지열에너지 등 재생에너지도 증기 전기분해의 열원으로서의 잠재력을 갖고 있다는 연구 결과가 나왔다. 고온에서 작동하면 배터리 전압을 낮추고 반응 속도를 높일 수 있지만 재료의 열 안정성과 밀봉 문제도 직면합니다. 또한, 음극에서 생성된 가스는 수소 혼합물이므로 추가로 분리 및 정제해야 하므로 기존 액체 물 전기분해에 비해 비용이 증가합니다. 스트론튬 지르콘산염과 같은 양성자 전도성 세라믹을 사용하면 SOE 비용이 절감됩니다. 지르콘산스트론튬은 약 700°C에서 우수한 양성자 전도성을 나타내며, 음극에 도움이 되어 고순도 수소를 생산하므로 증기 전기분해 장치가 단순화됩니다.

Yanet al. [6]은 산화칼슘으로 안정화된 지르코니아 세라믹 튜브를 지지 구조의 SOE로 사용하고, 외부 표면을 양극으로 얇은(0.25mm 미만) 다공성 란타늄 페로브스카이트로 코팅하고, 음극으로 Ni/Y2O3 안정한 산화칼슘 서멧을 코팅했다고 보고했습니다. 1000°C, 0.4A/cm2 및 39.3W 입력 전력에서 장치의 수소 생산 용량은 17.6NL/h입니다. SOE의 단점은 셀 간 상호 연결에서 흔히 발생하는 높은 저항 손실로 인해 발생하는 과전압과 증기 확산 전송의 한계로 인해 높은 과전압 농도가 발생한다는 것입니다. 최근에는 평면형 전해전지가 많은 주목을 받고 있다[7-8]. 관형 전지와 달리 평면 전지는 제조를 더욱 컴팩트하게 만들고 수소 생산 효율을 향상시킵니다[6]. 현재 SOE를 산업적으로 적용하는 데 가장 큰 장애물은 전해조의 장기적인 안정성이며[8], 전극 노화 및 비활성화 문제가 발생할 수 있습니다.