고체 산화물 전기분해를 이용한 수소 생산의 진행 상황 및 경제성 분석

고체 산화물 전기분해를 이용한 수소 생산의 진행 상황 및 경제성 분석

고체 산화물 전해조(SOE)는 고온의 수증기(600~900°C)를 전기분해에 사용하며, 알칼리 전해조 및 PEM 전해조보다 효율이 높습니다. 1960년대에 미국과 독일에서 고온 수증기 SOE에 대한 연구가 시작되었습니다. SOE 전해조의 작동 원리는 그림 4에 나타나 있습니다. 재활용된 수소와 수증기가 양극에서 반응 시스템으로 유입됩니다. 수증기는 음극에서 전기분해되어 수소로 전환됩니다. 음극에서 생성된 O2는 고체 전해질을 통해 양극으로 이동하여 재결합하면서 산소를 생성하고 전자를 방출합니다.

알칼리 전해조 및 양성자 교환막 전해조와 달리, 수증기 전해조(SOE) 전극은 수증기와 접촉하여 반응하며 전극과 수증기 접촉면적을 최대화해야 하는 과제에 직면합니다. 따라서 SOE 전극은 일반적으로 다공성 구조를 갖습니다. 수증기 전해의 목적은 기존 액체 물 전해조의 에너지 집약도와 운영 비용을 낮추는 것입니다. 실제로 물 분해 반응에 필요한 총 에너지량은 온도가 증가함에 따라 약간 증가하지만, 전기 에너지 요구량은 크게 감소합니다. 전해 온도가 증가함에 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. 또한, 지열 에너지와 같은 재생 에너지도 수증기 전해의 열원으로 활용될 가능성이 있다는 연구 결과가 있습니다. 고온에서 작동하면 배터리 전압을 낮추고 반응 속도를 높일 수 있지만, 재료의 열 안정성과 밀봉 문제도 해결해야 합니다. 또한, 음극에서 생성되는 가스는 수소 혼합물이므로 추가적인 분리 및 정제 과정이 필요하여 기존 액체 물 전기분해 방식에 비해 비용이 증가합니다. 스트론튬 지르코네이트와 같은 양성자 전도성 세라믹을 사용하면 증기 전기분해(SOE)의 비용을 절감할 수 있습니다. 스트론튬 지르코네이트는 약 700°C에서 우수한 양성자 전도성을 나타내어 고순도 수소 생산에 유리한 음극 소재이며, 증기 전기분해 장치의 구조를 단순화할 수 있습니다.

Yan et al. [6]은 산화칼슘으로 안정화된 지르코니아 세라믹 튜브를 지지 구조의 SOE로 사용하고, 외면을 얇은(0.25mm 미만) 다공성 란탄 페로브스카이트로 코팅하여 양극으로, Ni/Y2O3 안정화 산화칼슘 세라믹 복합체를 음극으로 사용했다고 보고했습니다. 1000°C, 0.4A/cm2, 39.3W 입력 전력에서 이 장치의 수소 생산 용량은 17.6NL/h입니다. SOE의 단점은 셀 간 연결부에서 흔히 발생하는 높은 저항 손실로 인한 과전압과 증기 확산 수송의 한계로 인한 높은 과전압 집중 현상입니다. 최근에는 평면 전해 셀이 많은 주목을 받고 있습니다 [7-8]. 관형 셀과 달리 평면 셀은 제조가 더욱 소형화되고 수소 생산 효율이 향상됩니다 [6]. 현재 SOE의 산업적 적용에 있어 주요 장애물은 전해 전지의 장기 안정성[8]이며, 전극 노화 및 비활성화 문제가 발생할 수 있습니다.