고효율 수소 생산 기술 - 고온 고체산화물 전해셀

고온 고체 산화물 전기분해 전지(SOEC)는 고효율, 고속, 유연성을 갖춘 에너지 변환 장치입니다. 다양한 원료를 도입하여 다양한 제품을 생산할 수 있어 다기능 전기화학 합성기 개발을 가능하게 합니다. 풍력 및 태양광 발전과 같은 청정 에너지원에 연결할 수 있습니다. 가장 일반적인 응용 분야는 수증기를 전기분해하여 수소를 생산하는 것입니다. 알칼리수(ALK) 및 양성자 교환막 (PEM) 전기분해와 달리 SOEC는 여러 가지 장점을 제공합니다. 높은 효율(최대 85%), 가역성, 생성된 제품에서 나오는 고급 폐열을 활용할 수 있는 능력입니다. 고체 산화물 전기분해 셀(SOEC)은 전기 및 열 에너지를 화학 에너지로 변환합니다. 원칙적으로 SOEC는 고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 역과정으로 작동합니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이 SOEC는 중앙에 밀도가 높은 전해질 층, 양쪽에 다공성 전극, 전극 외부에 반응 가스를 공급하고 생성 가스를 제거하는 가스 채널로 구성되어 효율적인 가스 수송 및 분배가 가능합니다. 고온(600~900°C)에서 전극에 직류(DC) 전압을 인가하면 수증기(H₂O) 분자가 음극에서 양성자(H⁺)와 산소 이온(O²⁻)으로 분리됩니다. O²⁻ 이온은 고체 산화물 전해질 층을 통해 양극으로 이동하여 전자(e⁻)를 방출하고 산소 분자(O₂)를 형성합니다.

전자는 상호 연결을 통해 음극으로 전달되고, 음극에서 H⁺와 결합하여 수소 분자(H₂)를 형성합니다.SOEC 수소 생산, 즉 고체 산화물 전기분해 셀 기반 수소 생산은 고체 산화물 전해질 막의 이온 전도도를 이용하여 고온에서 물을 수소와 산소로 분리하는 공정입니다. 이 제품은 제철소, 화학 공장, 항공우주 산업과 같은 산업에 널리 적용될 수 있습니다.SOEC는 또한 다양한 화학 합성 공정과 열적으로 통합되어 포집된 이산화탄소와 물을 합성 천연가스, 가솔린, 메탄올 또는 암모니아로 재활용할 수 있습니다. 다른 물 전기분해 기술과 비교하여 SOEC는 높은 효율, 낮은 비용, 공동 전기분해 기능, 가역성 및 다양한 시나리오에 대한 적합성을 포함한 수많은 장점을 제공합니다. 고온(600~900°C)에서 작동하는 SOEC는 유리한 동역학을 활용하여 높은 전기분해 효율을 제공합니다. 높은 작동 온도는 전기 에너지 소비를 줄여 수소 생산을 위한 전체 시스템 효율이 약 85%에 도달합니다. 이는 PEM 전기분해의 시스템 효율의 약 1.5배이고 전체 효율의 두 배입니다. 알칼리수 전기분해SOEC의 고온 작동 조건은 석탄 화학 플랜트, 철강 야금, 암모니아 합성, 원자력 발전소와 같이 상당한 폐열을 사용하는 시나리오에 매우 적합합니다. SOEC 작동에 폐열을 통합하면 전기 에너지 소비를 보완하여 전기 효율을 향상시키고 운영 비용을 절감할 수 있습니다. 또한, 다른 기술과 비교했을 때 SOEC의 독특한 특징은 가역성입니다. 즉, 전기분해 모드(SOEC)와 연료 전지 모드(SOFC)를 유연하게 전환할 수 있습니다.

고체산화물반도체(SOEC)는 전기분해 모드에서 에너지 저장을 위해 수소 또는 합성가스를 생산하거나, 연료전지 모드에서 화학 에너지를 전기로 변환하여 수소 생산, 저장, 그리고 전력 생산을 위한 시너지 시스템("전기-수소-전기")을 구축할 수 있습니다. 이는 재생에너지 저장 및 전력망 피크 저감에 상당한 잠재력을 제공하며, 효과적인 에너지 활용 및 균형 유지에 기여합니다. 전반적으로, 지속적인 기술 발전과 점진적인 시장 성숙을 통해 고체산화물반도체(SOEC) 수소 생산은 미래 에너지 환경에서 중요한 역할을 수행하여 글로벌 탄소 중립 목표 달성에 기여할 것으로 예상됩니다.