UC 샌디에이고(UC San Diego) 에너지연구센터 연구진들은 최근 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cells)의 최상의
성능에 대해 연구하였다. 그들이 제시하고 있는 최신의 고체산화물 연료전지는 외적인 개량(개선) 없이 에탄올(ethanol)에서 직접 운용이 되고
있다. 이상의 연구는 에너지연구센터 Nguyen Minh 박사와 박사후 과정 연구원인 Eric Armstrong 연구원(현재는 Intel社에
근무)과 UC 샌디에이고 대학교 학부생인 박재우에 의해 수행되었다
최고출력밀도 400 mW/cm2 이상이 7.3 부피백분율을 가진
에탄올을 포함한 연료와 대기 800°C에서 달성되었다. 이러한 출력밀도는 20 부피백분율에서의 에탄올로 직접 운영되는 것으로 기록된 또는 같은
온도에서의 다른 고체산화물 연료전지 출력밀도보다 4배 정도 큰 수치이다.
이러한 고체산화물 연료전지는 두 개의 전극 - 음극 또는
산소전극(대기 속 산소가 감소되는 곳)과 양극 또는 연료전극(연료 속 수소가 산화되는 곳) - 사이에 놓여져있는 이온전도성 산화전해질로 구성되어
있는 완벽한 고체상태의 연료전지이다.
이러한 형태의 연료전지는 600°C에서 1,000°C의 온도범위에서 운용이 된다. 현재,
대부분의 일반적 고체산화물 연료전지 물질들은 전해질을 위한 YSZ(yttria stabilized zirconia: 순수한 이온전도체), 음극을
위한 LSM(strontium-doped lanthanum manganite perovskite oxide: 스트론튬-중독성의 란탄 망가나이트
페보로스카이트 산화물), 그리고 양극을 위한 니켈(nickel)/YSZ 등이다. 새로운 고체산화물 연료전지의 매력적인 특성은 다양한 연료로부터
청정하고 효율적이 전기를 생산할 수 있다는 것이다. 새로운 고체산화물 연료전지에 가능한(적합한) 연료에는 수소, 천연가스,
바이오가스(biogas), 프로판(propane), 가솔린(gasoline), 디젤(diesel), 석탄 가스, 그리고 다른 실용연료 등이
포함하고 있다.
새로운 고체산화물 연료전지는 와트(W) 크기의 휴대용 설비에서 메가와트(MW) 규모의 발전소에 이르기까지 폭넓은
스펙트럼(spectrum)의 발전설비에서 고려되고 실게 발전되어온 것이다. 뿐만 아니라, 새로운 고체산화물 연료전지의 운용은 역으로도 사용이
가능하다. 예를 들어, 이 연료전지는 반대로 사용이 가능하며, 에너지 원천과 통합될 때 전기분해 모드(mode)에서도 사용이 가능하다. 따라서,
새로운 고체산화물 연료전지는 물에서 수소를 또는 물과 이산화탄소 혼합물에서 합성가스(수소와 일산화탄소의 혼합물)를 생산하기 위해 전기분해
전지로써 사용될 수 있다. 고체산화물 연료전지는 양면에서 모두 사용이 가능한 고체산화물 연료전지로써 언급된 운영 모드 모두에서 효율적으로 운용이
가능하다.
새로운 고체산화물 연료전지는 탄화수소와 외적인 개량없이 알콜(alcohol)과 같은 다른 연료들을 직접적으로 활용할 수
있는 능력을 보여주고 있다. 직접활용을 기반으로 한 고체산화물 연료전지 발전시스템들은 외부 개량자를 필요로 하지 않는다. 따라서 시스템을
간소화할 수 있으며, 높은 시스템 효율성을 달성하고 비용을 줄일 수 있다. 비록 수소산화를 위한 멋진 촉매제이기는 하지만 양극 속 니켈은
코킹(coking)을 촉진하는 경향이 있다. 따라서 탄소를 포함한 연료의 직접적인 활용을 위해 구리/산화세륨(copper/ceria) 화합물은
제안되고 개발되어 왔다. 구리/산화세륨 화합물은 코킹에 저항력을 가지고 있다. 하지만, 수소산화를 위한 이 화합물의 촉매활동은 니켈/YSZ의
촉매활동보다 낮은 성향을 가지고 있다. 따라서 구리/산화세륨과 관련된 비수소 연료의 직접 활용은 종종 열악한 전자화학적 성능을 보여주고 있다.
고체산화물 연료전지 직접 활용(직접 고체산화물 연료전지로 명명됨)의 가능성을 보여줄 수 있는 전자화학적 성능과 코킹 문제를
설명하기 위해 탄소배출거래에서의 접근방식은 양극판에서 양극 구조를 가공하는 것이다. 이렇게 가공된 양극 구조는 쿠리/산화세륨 나노입자(높은
전자화학적 성능을 유지하기 위해 보다 얇은 니켈-YSZ 전자활성 중간층과 코킹을 최소화하고 개량을 촉진할 수 있음)로 충만한 니켈/YSZ지지
외부층으로 구성되어 있다.
이러한 양극 구조로 통합된 고체산화물 연료전지 제조는 수월하였다. 양극층을 가지고 있는 전지들은
전통적인 물질과 기술(테이프 주조와 소결: 용융점(鎔融點) 이하의 온도 구간에서 작은 금속분말입자들을 가열하여 가입하는 것)을 사용하여 제조가
되었다. 제조된 전지들의 외부 양극층은 적절한 비중의 구리 및 세륨 니트레이트(cerium nitrate)의 수용액으로 가득차 있게 된다.
다음으로 산화 나노입자들을 만들기 위해 높은 온도(850°C)에서 가열냉각이 될 것이다 (니켈과 구리는 이같은 경우 산화물로써 만들어지며,
이러한 산화물은 연료가 양극에 도입될 때 금속을 입히기 위해 감소되었다).
화학 / 바이오 / 환경
