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SOFCs의 전극재료와 반응 메커니즘

전문가 제언: ○ IT-SOFC에 적합한 재료를 개발하기 위하여 많은 노력이 이루어지고 있다. SOFC의 중온 운전이 기존의 발전 시스템과 경쟁하는데, 온실가스 저감차원에서 거의 필수적이다. SOFCs는 정치형과 수송용에서 많은 장점이 있는데 특히 수송용에서 더욱 그러하고 이때는 메탄올과 에탄올이 수송용으로 좋은데, 그래서 IT-SOFC의 시장진입은 곧 성사된다고 보고 있다. IT-SOFC의 산업화는 충분히 사회적인 면과 경제개발 분야에서 충격을 제공할 것으로 보고 있다.

○ 중온 전해질에 요구되는 성질은 넓은 범위의 운전온도와 산소분압 하에서 빠른 이온이동, 무시정도의 전자전도와 열역학 안정성을 가져야 한다. 또한 전극과 다른 구성물이 열팽창에 강하며 적절한 물리적, 화학적 안정성을 가져야 한다. 형석형-ZrO2 고체용액이 산화물전도 고체전해질로 가장 많이 연구되는데, Y2O3, Sc2O3 등 희토류산화물이 안정제로 첨가된다. 이 중 YSZ은 800℃ 이하에서 낮은 전도도를 가져 이에 대한 해결책으로 전해질을 박막으로 하는 방법이 있다.

○ 음극재료의 개발은 전기화학적 성능과 장기 안정성이 좋아야 된다. 박막전해질의 SOFC는 음극의 ORR에 비교적 높은 과전압 손실을 갖고 있다. 페로브스카이트 ABO3형은 MIEC을 갖는데, IT-SOFC에 이를 강화한 음극의 개발이 주로 이루어지고 있다.

○ 전이금속이 활성과 안정성의 양극재료로 양호하며 금속 양극의 수소산화속도는 Ni과 Fe 등이 빠르다. 활성과 안정성 및 코스트에서 Ni이 가장 선호되는데 전극, 전해질과 가스의 TPB를 넓히면서 활성 사이트를 확대하는 것이다. 이에 Ni/YSZ이 많이 연구되고 Ni/SDC, Ni/GDC 양극재료가 세리아 기반 전해질재료와 같이 많이 개발되었다.

○ 이 글은 IT-SOFCs와 전극성능에 영향을 끼치는 재료과학과 관련하여 음극/양극 조성의 주재료에 대한 전기화학과 이동 특성에 대한 비교분석에 초점을 맞추고 있다. SOFCs의 각 부품 재료의 R&D는 각국에서 경쟁적으로 이루어지고 있다. 이어서 전기화학반응의 율속 단계의 결정과 반응 기구는 수개의 모델이 제시되고 있다.

저자: Ekaterina V. Tsipis, Vladislav V. Kharton
자료유형: 학술정보