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SOFCs의 전극 재료와 반응 기구

전문가 제언: ○ 고체산화물 연료전지(SOFC)는 770~1270K의 고온에서 운전된다. 다른 형태의 연료전지에 비하여 SOFCs가 갖는 장점으로는 높은 에너지 전환효율, 천연가스나 바이오가스를 바로 사용할 수 있는 융통성, 환경적 안정 및 방출열을 회수하는 점 등이 있다.

○ 고체전해질은 최대의 이온 전도도와 최소의 전자 이동 특성을 가져야한다. 양극과 음극은 연료/산소에 대한 높은 촉매활성에 의해 빠른 전자 전도도를 가져야 한다. 또한 부품들은 화학/열역학적으로 호환적이어야 하므로 팽창과 음이온 확산이 최소여야 한다. 이를 위해 70년대까지는 전극재료로서 촉매활성이 우수한 백금(Pt)이 주로 사용되었다.

○ 그 후 고가의 Pt를 대체하기 위하여 음극재료로 LSM, YSZ이 주로 사용된다. SOFC에서 가장 중요한 것은 운전온도를 770~1070K까지 낮추면서 동시에 높은 파워밀도와 내구성을 유지하는 것이다. 이러한 IT-SOFC의 장점은 저가 재료를 사용함으로써 생산 비용이 낮고, 저온 운전으로 기계 안정성이 개선되며, 가스 터빈과 결합 없이도 발전기의 효율을 높일 수 있는 점이다.

○ 운전온도의 저하는 전극의 분극현상을 증가시키는 역효과가 나타난다. 이를 해결하기 위해서는 셀 제작기술과 전극 미세구조를 최적화하여 전기화학 활성을 높여야 한다. 이를 위해 전해질의 두께의 감소와 고전도도의 부여가 특히 중요하다. 십여 년 동안 많은 연구에도 불구하고 가격을 낮추지 못하였고, IT-SOFC의 불안정성이 개선되지 않았다. 또한 이직도 전기화학 반응 기구에 대한 충분한 이해가 부족한 상태라 할 수 있다.

○ 이 글은 SOFCs의 고체전해질과 전극반응기구를 전기화학성능, 열팽창, 산소이온과 전자 이동 및 내구성의 결정 요소를 비교분석을 통하여 집중 조명한다. 전통적이거나 대체 재료로서 ZrO2-, CeO2-, LaGaO3-와 La10Si6O27-기반 전해질을 전극재료의 최적화 대상으로 한다. 음극/양극 조성이 최대의 전기화학 활성과 안정성이 전극 미세구조 엔지니어링과 관련된 결정적 문제들을 다룬다.

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