고체산화물연료전지에 대해

목차

1. 연료전지
1-1. 연료전지의 종류

2. 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)
2-1. 고체 산화물 연료전지의 원리
2-2. 고체산화물 연료전지 구성요소의 요구조건
2-3. 고체산화물 연료전지 구성요소의 재료
2-4. SOFC의 장점
2-5. SOFC의 문제점(실용성 확보를 하지 못한 몇 가지 장애요인들)

3. SOFC의 연료
3-1. SOFC에서 메탄의 직접 내부개질(direct internal reforming : DIR) 반
3-2. 탄화수소가 연료전지의 성능에 미치는 영황

4. 국내 연구기관의 SOFC 연구동향
4-1. 고효율 발전/수송용 SOFC 개발
4-2. 차세대 휴대전원용 초소형 고용량 미니/마이크로 SOFC 개발

5. SOFC 연구개발의 개선방향 및 추진방향

6. SOFC 조사에 대한 종합

본문내용

성을 보여주고 있다.
4-2. 차세대 휴대전원용 초소형 고용량 미니/마이크로 SOFC 개발
- 현대 휴대용 전자기기들의 기능이 날로 다양화되고 복잡화됨에 따라 기존의 2차전지로는 전력수요를 충족시킬 수 없어 새로운 차세대 고용량 휴대전원에 대한 개발 필요성이 크게 증대되었다. 최근 부각되고 있는 이러한 고용량 차세대 휴대전원에 대한 기술수요에 대응하기 위하여 2000년대 들어 초소형 SOFC 관련 연구를 수행해 왔다. 소형 SOFC는 기존 SOFC가 가지는 연료선택의 유연성, 고효율, 고출력 등의 장점을 그대로 살리면서 소형화, 집적화에 용이한 디자인상의 자유도를 가지므로 여타 연료전지들에 비해 고용량, 고성능 휴대전원에 대한 요구에 보다 효과적으로 대응할 수 있을 것으로 예상된다.
하지만 휴대전원용 소형 SOFC를 기존의 발전용 SOFC처럼 고온에서 작동시키는 경우 주변 구성요소에 무리를 주고 전체 시스템의 열관리에 심각한 부담을 주게 되어 시스템 자체의 신뢰성과 경제성 저하를 가져오게 된다. 따라서 미니/마이크로 SOFC의 저온 작동을 위하여 이에 적합한 고효율 전해질/전극 재료의 개발과 함께 단전지의 구조 제어, 새로운 시스템 디자인 개발에 매진하고 있으며, 고에너지밀도의 탄화수소계 연료를 사용하기 위한 고성능 개질촉매 소재도 개발하고 있다. 또한 SOFC의 소형/집적화는 단순히 기존 디자인의 물리적인 크기를 축소시킴으로써 실현되지 않으므로 기존 SOFC에 적용되고 있지 않은 새로운 디자인을 도입하여 그 경쟁력을 확인하고 있다. 이를 위해 기존 세라믹 공정기술과 함께 나노 소재기술, 나노구조 제어기술, 나노 공정기술과 다층 박후막 공정기술, 나노/마이크로 공정의 복합화, 그리고 사진식각 등을 포함한 미세 가공기술 등 다양한 공정기술들을 활용하여 구성요소 간 정합성과 신뢰성을 확보할 수 있는 고유의 초소형 SOFC 구조를 개발하는 연구를 진행시키고 있다.
5. SOFC 연구개발의 개선방향 및 추진방향
- 현재 우리나라는 SOFC를 구성하는 각 구성요소별 물성 제어 및 설계 기술은 물론 SOFC 스택을 구성하는 각종 부품의 제조 및 평가까지 SOFC 관련 고유 원천기술들을 폭넓게 보유하고 있다. 특히 단전지 및 밀봉재 관련 기술은 SOFC 관련 제반기술에 있어 가장 핵심적인 기술이며 그 기술적 완성도 역시 세계 최고 수준으로 인정받고 있다. 이를 바탕으로 현재는 SOFC의 상용화 시기를 좀 더 앞당기기 위한 스택의 경제성과 내구성 향상을 위한 핵심기술 개발에 주력하고 있으며 아울러 미래의 초소형 휴대용 전원장치 적용을 위한 SOFC의 소형화 및 집적화를 위한 요소기술 개발에 힘쓰고 있다.
이러한 연구개발을 통해 차세대 에너지 변환장치로 각광받고 있는 SOFC 관련 소재 및 부품에 대한 원천기술을 확보함으로써 관련 산업체의 참여를 유도하고 해당 부품업체와 시스템업체 간의 안정적인 네트워크 형성을 유도해 궁극적으로는 SOFC 시스템의 상용화시기를 앞당기는 데 기여하고자 한다.
SOFC의 개발 추진방향에 대해 몇 가지로 명목화 해보면 다음과 같다.
① SOFC 개발에 있어 핵심기술이라 할 수 있는 단전지 제조 공정기술을 확립해야한다.
② SOFC는 개발되는 단전지의 구조형태 및 전극, 전해질 등의 재료성분과 특성에 따라 작동온도는 650~1000℃로 광범위하게 개발될 수도 있으나 분리판으로 인해 작동온도를 650~800℃로 제한될 수밖에 없는 실정이므로 내산화성이 우수한 금속분리판의 개발이 필요하다.
③ 재료의 저비용화와 장기 수명화 및 시스템의 간소화를 위해 작동온도를 650~800℃까지 낮춘 저온작동 SOFC의 고성능 셀의 개발이 필요하다.
④ 평판형 단전지의 경우 단위부피당 출력밀도가 높으며 단전지 제조비용이 저렴하여 대량생산에 적합한 형태로써 제조공정가를 상용화 단계까지 낮출 수는 있지만, 상대적으로 단위전지의 대면적화가 어렵고 반응가스의 밀봉이 어렵기 때문에 필수적인 구성부품으로 분리판이 필요하기 때문에 이에 대한 기술의 확보가 필요하다.
⑤ SOFC의 각각의 시스템(연료탈황, 연료처리, 폐열회수 등)은 서로 물질 및 열적으로 연계 운전되므로 고효율의 SOFC 시스템을 개발하기 위해서 특수 사양의 단위공정 장치 개발이 필요하다.
⑥ 장기적 안목으로 볼 때 시장크기가 크고 형성시기가 빠른 가정용 분산전원(RPG)과 자동차 보조전원(APU)의 초기 시장투입이 가능하도록 자동차 기업을 중심으로 한 개발이 필요하다.
6. SOFC 조사에 대한 종합
- 위의 내용들을 종합해 볼 때, 비싼 내열성 금속을 사용하는 SOFC의 제조 가격을 낮추고 빠른 시동을 위해서 저온(600℃ 이하)에서 동작하는 SOFC를 개발해야 된다. 저온에서 동작하는 SOFC를 위해서는 Ni촉매를 대신할 촉매가 개발되어야 하고
탄화수소의 내부개질에 의한 탄소침적으로 촉매의 효율이 떨어지는 현상도 해결되어야 한다.
SOFC의 개발동향이 저온 동작으로 가는 추세이므로 SOFC의 세부 기술 중 전극, 촉매, 전해질과 같은 소재 부분의 원천기술 확보에 노력해야 된다. 미국과 일본과 같은 기술개발 주도국에 비하여 원천 기술의 확보가 다소 취약하므로 정부와 기업의 적극적인 연구개발 투자와 더불어서 기술의 확보가 다소 어려운 부분에 대해서는 공동연구와 같은 국제협력을 강화하는 전략적인 방안도 필요할 것으로 생각된다.
Reference
[1] 연료전지 (출판: 산업자원부, 한국산업기술재단 / 발행일: 2004.11.25)
[2] 고체산화물 연료전지용 Ni/YSZ 음극 촉매에서의 메탄 내부개질 반응 시 탄소 침적 억제를 위한 첨가제 영향. 김혜령, 최지은, 윤현기, 정종식 (2008)
[3] 메탄 내부개질 반응을 통한 고체산화물 연료전지의 탄소침적 억제에 관한연구. 강윤혁, 임성광, 배중면, 유영성, 박진우 (2007)
[4] SOFC의 프로판 부분산화 반응에 사용되는 촉매 층 연구. 글로벌 동향 브리핑. KISTI (2005)
[5] SOFC 단전지 / 스택 개발이슈. 이해원, 김주선, 이종호 (2004)
[6] 고체산화물 연료전지 나노소재. 한국과학기술정보연구원 (2002)
고체산화물연료전지
(SOFC)

키워드

sofc,   고체산화물 연료전지,   연료전지,   2차전지