고체산화물 전기분해에 의한 수소생산의 진행상황 및 경제성 분석

고체산화물 전기분해에 의한 수소생산의 진행상황 및 경제성 분석

고체 산화물 전해조(SOE)는 고온 수증기(600~900°C)를 전기분해에 사용하며, 알칼리 전해조나 고분자 전해질막 전해조보다 효율이 높습니다. 1960년대 미국과 독일은 고온 수증기 SOE에 대한 연구를 시작했습니다. SOE 전해조의 작동 원리는 그림 4에 나와 있습니다. 재활용된 수소와 수증기는 양극에서 반응계로 유입됩니다. 수증기는 음극에서 전기분해되어 수소로 전환됩니다. 음극에서 생성된 산소(O₂)는 고체 전해질을 통해 양극으로 이동하여 재결합하여 산소를 생성하고 전자를 방출합니다.

알칼리성 및 양성자 교환막 전해 전지와 달리, SOE 전극은 수증기 접촉과 반응하며 전극과 수증기 접촉 사이의 계면 면적을 최대화해야 하는 과제에 직면합니다. 따라서 SOE 전극은 일반적으로 다공성 구조를 갖습니다. 수증기 전기분해의 목적은 기존 액체 물 전기분해의 에너지 강도를 낮추고 운영 비용을 절감하는 것입니다. 실제로 물 분해 반응의 총 에너지 요구량은 온도가 증가함에 따라 약간 증가하지만, 전기 에너지 요구량은 크게 감소합니다. 전해 온도가 상승함에 따라 필요한 에너지의 일부는 열로 공급됩니다. SOE는 고온 열원이 있는 환경에서 수소를 생산할 수 있습니다. 고온 가스 냉각 원자로는 950°C까지 가열할 수 있으므로, 원자력 에너지를 SOE의 에너지원으로 사용할 수 있습니다. 동시에, 연구에 따르면 지열 에너지와 같은 재생 에너지도 증기 전기분해의 열원으로 사용될 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 고온에서 작동하면 배터리 전압을 낮추고 반응 속도를 높일 수 있지만, 재료의 열 안정성과 밀봉이라는 과제에 직면합니다. 또한, 음극에서 생성되는 가스는 수소 혼합물이므로 추가적인 분리 및 정제가 필요하여 기존 액체 물 전기분해에 비해 비용이 증가합니다. 지르콘산 스트론튬과 같은 양성자 전도성 세라믹을 사용하면 SOE의 비용이 절감됩니다. 지르콘산 스트론튬은 약 700°C에서 우수한 양성자 전도성을 나타내며, 음극에서 고순도 수소를 생성하는 데 도움이 되어 증기 전기분해 장치를 간소화합니다.

Yan et al. [6]은 산화칼슘으로 안정화된 지르코니아 세라믹 튜브를 지지 구조의 SOE로 사용하고, 외부 표면을 양극으로 얇은(0.25mm 미만) 다공성 란탄 페로브스카이트, 음극으로 Ni/Y2O3 안정 산화칼슘 서멧으로 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 옴 손실로 인한 과전압과 증기 확산 수송의 한계로 인한 높은 과전압 농도입니다. 최근 몇 년 동안 평면 전해 셀이 많은 주목을 받았습니다[7-8]. 관형 셀과 달리 평평한 셀은 제조를 더 컴팩트하게 만들고 수소 생산 효율을 향상시킵니다[6]. 현재 SOE의 산업적 적용에 대한 주요 장애물은 전해 셀의 장기 안정성[8]이며 전극 노화 및 비활성화 문제가 발생할 수 있습니다.