고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)

2024.05.30

 

고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 고체 산화물 전해질을 사용하는 연료전지의 한 유형으로, 전기 화학적으로 연료(주로 수소)를 산화시켜 전기를 생성합니다. SOFC는 높은 작동 온도(약 600~1000℃)에서 작동하여 높은 효율성과 다양한 연료의 사용 가능성으로 인해 주목받고 있습니다.

### 주요 구성 요소 및 원리
1. **전해질**: SOFC에서 사용되는 전해질은 이온 전도성을 가지는 고체 산화물로, 주로 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)와 같은 재료가 사용됩니다. 전해질은 연료극에서 산화극으로 산소 이온(O^2-)을 전달합니다.
   
2. **연료극(음극)**: 연료극에서는 연료가 산소 이온과 반응하여 물과 전자를 생성합니다. 이 과정에서 전자가 외부 회로를 통해 산화극으로 이동하여 전류를 형성합니다. 주로 니켈과 YSZ의 혼합체가 사용됩니다.

3. **산화극(양극)**: 산화극에서는 공기 중의 산소가 전자를 받아 산소 이온으로 전환됩니다. 이 산소 이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동합니다. 주로 스트론튬 도핑된 라나탄족 페로브스카이트가 사용됩니다.

### 작동 원리
SOFC는 연료(수소, 메탄, 일산화탄소 등)와 산화제(공기 또는 산소)의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생성합니다. 연료는 연료극에서 산소 이온과 반응하여 물과 전자를 생성하고, 이 전자는 외부 회로를 통해 산화극으로 이동하여 전류를 형성합니다. 산화극에서는 산소가 전자를 받아 산소 이온으로 전환되고, 이 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동합니다.

### 장점
1. **높은 효율성**: SOFC는 이론적으로 60% 이상의 전기 변환 효율을 가질 수 있으며, 폐열을 활용한 열병합발전(CHP)을 통해 총 효율을 85% 이상으로 끌어올릴 수 있습니다.
2. **연료 다양성**: 수소뿐만 아니라 천연가스, 메탄, 바이오가스 등의 다양한 연료를 사용할 수 있습니다.
3. **환경 친화성**: 이산화탄소 배출이 적고, 다른 유해 물질의 배출이 거의 없습니다.

### 단점
1. **높은 작동 온도**: 높은 작동 온도는 재료의 내구성 문제를 일으킬 수 있으며, 시스템의 초기 가열 시간과 비용을 증가시킵니다.
2. **비용**: 초기 설치 비용과 재료비가 높아 상업화에 어려움이 있습니다.

### 응용 분야
1. **전력 발전**: 대형 발전소에서 전력 생산.
2. **분산형 에너지 시스템**: 소규모 발전 시스템으로 사용 가능.
3. **휴대용 전원 장치**: 군사용, 원격 지역의 전력 공급.

SOFC는 미래의 친환경 에너지원으로 주목받고 있으며, 연구와 개발이 계속 진행 중입니다.