이산화탄소 배출 억제를 위한 기후변화 대응 정책은 다양합니다. 그중 운송 분야에서는 3차 전지인 연료전지 섹터가 있으며, 그중에서도 여러 가지 특징과 장점이 있는 고체 산화물 연료전지(SOFC)가 알려져 있습니다.
고체 산화물(SOFC, Solid oxide fuel cell) 연료 전지란?
산화지르코늄과 같은 고체 산화물을 전해질로 이용하여 수소와 산소의 화학반응으로 전기를 생산하는 연료전지입니다. 따라서 내연기관과 같이 온실가스 배출이 없고 고체인 전해질을 사용하기 때문에 고온에서 작동되어 에너지 효율도 60% 수준으로 높은 편에 속합니다.
SOFC 연료전지 원리와 구조
고체 산화물을 기준으로 양극과 음극으로 구성되어 있습니다. 양극에서는 수소가 공급되고 음극에서는 산화제(일반적인 공기)가 공급됩니다.
공기극에서는 공기 중의 산소가 공기극을 지나고 연료극에는 수소연료가 지나갈 때 아래와 같은 화학반응이 일어나 전기를 생산하게 됩니다.
연료극의 화학반응
- H2 + O2- -> H2O + 2e-
공기극의 화학반응
- O2 + 4e- -> 2O2
화학반응이 일어나는 과정에서 온도는 500~700도씨로 고온상태에서 작동이 되는 특징이 있습니다. 화학반응 후 생성되는 물질은 열과, 물, 전기입니다.
SOFC의 전해질 특징
가장 대표적인 특징은 전해질을 세라믹으로 사용하는 점입니다.
이트리아 안정화 지르코니아(YSZ,Yttria-stabilized Zirconia)
대표적으로 사용되는 세라믹 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ,Yttria-stabilized Zirconia)이며, 이 재료는 지르코니아(산화지르코늄)에 이트리아(산화이트륨)를 첨가하여 상온에서 안정성을 갖는 세라믹 재료입니다.
지르코니아는 지르코늄과 산소의 화합물로 녹는점이 2,715도씨로 높으며, 단열성, 저항성등이 우수하고 산소 이온을 전도하는 성질을 가지고 있으며, 대표적으로 치과 치료에 사용할 수 있는 재료입니다. 또한 산화이트륨(이트리아)은 안정된 금속 산화물 형태를 띠며 반도체 코팅재, 광학글라스, 광섬유 등에 사용하고 있는 재료입니다.
스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ, Scandia stabilized Zirconia)
YSZ(Yttria-stabilized Zirconia)란 세라믹 재료는 화학적으로 안정적이고 높은 경도를 지니고 있기 때문에 엔진과 같은 금속용 내화 재료, 높은 열에 버틸 수 있는 단열 코팅재 등 강성이 필요한 내화 재료에 다양하게 쓰이고 있습니다.
SOFC의 전해질로 높은 안정성과 전도성이 있는 세라믹 재료인 ScSZ(Scandia stabilized Zirconia)를 사용할 수 있으나 높은 비용이 걸림돌로 작용하고 있습니다.
SOFC의 장단점
SOFC의 장점
- 고체 전해질 사용이 가능하기 때문에 고온에서 작동할 수 있습니다.
- 고온 작동이 가능하기 때문에 백금과 같은 비싼 촉매를 사용하지 않아도 됩니다.
- 전해질이 소실할 가능성이 적습니다.
SOFC의 단점
- 고온에서 작동하게 때문에 열 제어가 어렵습니다.
- 다른 연료전지보다 비용이 높고 제조공정 또한 까다롭습니다.
- 정리하면 장점과 단점을 아래와 같이 비교할 수 있습니다.
| 장점 | 단점 |
| 온실가스 배출이 없습니다. | 고온에서 작동 |
| 연료전지 수명이 길고 오랜시간 작동이 가능합니다. | 특수 세라믹의 전해질이 필요하기 때문에 비용이 높습니다. |
| 연료에서 전기로 변환되는 에너지 효율이 높습니다. | 작동되는 고온상태로 도달하기 위해서 시작시간 필요합니다. |
| 다양한 연료 사용이 가능합니다. | 연료는 순수한 상태이여야 합니다. |
| 작동온도가 높아 내구성에 문제가 있을 수 있습니다. |