고체산화물 전기분해에 의한 수소생산의 진행 및 경제성 분석

고체산화물 전기분해에 의한 수소생산의 진행 및 경제성 분석

고체산화물 전해조(SOE)는 고온의 수증기(600 ~ 900°C)를 전기분해하여 알칼리 전해조 및 PEM 전해조보다 효율적입니다.1960년대에 미국과 독일은 고온 수증기 SOE에 대한 연구를 시작했습니다.SOE 전해조의 작동 원리는 그림 4에 나와 있습니다.재활용된 수소와 수증기는 양극에서 반응 시스템으로 들어갑니다. 수증기는 음극에서 수소로 전기 분해됩니다. 음극에서 생성된 O2는 고체 전해질을 통해 양극으로 이동하여 재결합하여 산소를 형성하고 전자를 방출합니다.

알카라인 및 양성자 교환 막 전해 전지와 달리 SOE 전극은 수증기 접촉과 반응하며 전극과 수증기 접촉 사이의 계면 영역을 최대화해야 하는 문제에 직면해 있습니다. 따라서 SOE 전극은 일반적으로 다공성 구조를 갖는다.수증기 전기분해의 목적은 에너지 집약도를 줄이고 기존 액체 물 전기분해의 운영 비용을 줄이는 것입니다.실제로, 물 분해 반응의 총 에너지 요구량은 온도가 증가함에 따라 약간 증가하지만 전기 에너지 요구량은 크게 감소합니다.전해 온도가 증가함에 따라 필요한 에너지의 일부가 열로 공급됩니다.SOE는 고온 열원이 있는 상태에서 수소를 생산할 수 있습니다. 고온 가스 냉각 원자로를 950°C까지 가열할 수 있기 때문에 원자력 에너지를 공기업의 에너지원으로 사용할 수 있습니다.동시에 이 연구는 지열 에너지와 같은 재생 에너지가 증기 전기분해의 열원으로도 잠재력을 가지고 있음을 보여줍니다.고온에서 작동하면 배터리 전압을 낮추고 반응 속도를 높일 수 있지만 재료의 열 안정성 및 밀봉 문제도 직면합니다.또한 음극에서 생성되는 가스는 수소 혼합물로, 추가 분리 및 정제가 필요하여 기존의 액체 물 전기 분해에 비해 비용이 증가합니다.지르콘산 스트론튬과 같은 양성자 전도성 세라믹을 사용하면 SOE 비용이 절감됩니다.지르콘산 스트론튬은 약 700°C에서 우수한 양성자 전도도를 나타내며 음극에 도움이 되어 고순도 수소를 생산하여 수증기 전기분해 장치를 단순화합니다.

Yan et al. [6]은 산화칼슘으로 안정화된 지르코니아 세라믹 튜브가 지지 구조의 SOE로 사용되었으며, 외부 표면은 얇은(0.25mm 미만) 다공성 란타늄 페로브스카이트로 양극으로, Ni/Y2O3 안정한 산화칼슘 서멧이 음극으로 사용되었다고 보고했습니다.1000°C, 0.4A/cm2 및 39.3W 입력 전력에서 장치의 수소 생산 용량은 17.6NL/h입니다.SOE의 단점은 셀 간의 상호 연결에서 흔히 발생하는 높은 옴 손실로 인한 과전압과 증기 확산 수송의 제한으로 인한 높은 과전압 집중입니다.최근 몇 년 동안 평면 전해 전지가 많은 관심을 끌었습니다[7-8].관형 셀과 대조적으로 플랫 셀은 제조를 보다 컴팩트하게 만들고 수소 생산 효율을 향상시킵니다[6].현재 SOE의 산업적 적용에 대한 주요 장애물은 전해 전지의 장기 안정성[8]이며 전극 노화 및 비활성화 문제가 발생할 수 있습니다.