고체산화물 전기분해를 통해 물에서 수소 생산

고체산화물 전기분해를 통해 물에서 수소 생산

고체산화물 전해전지(SOEC)는 YSZ 등의 물질을 전해질로 사용해 양극과 음극 반응을 통해 수소를 생산하는 고온 수전해 기술이다. 전력 소비가 적고 효율이 높다는 장점이 있으며 폐열 회수에 적합하지만 비용이 높고 안정성 문제에 직면해 있습니다.

물을 고체산화물 전기분해해 수소를 생산하는 것은 고온 물 전기분해 기술이다. SOEC는 기술적 원리에 따라 산소이온 전도 SOEC와 양성자 전도 SOEC로 구분할 수 있다.

(산소이온 전도 SOEC 작동원리)

(양성자 전도성 SOEC의 작동 원리)

산소 이온 전도성 SOEC는 고체 산화물을 전해질로 사용하며, 양극과 음극에서 각각 다음과 같은 화학 반응이 일어납니다.
양극: 2O²ˉ=O2+ 4e-
음극: 2H2O+4e-=2H2+2O²ˉ

SOEC의 핵심 구성요소는 치밀한 전해질과 다공성 전극으로 구성되며, 전해질은 일반적으로 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아) 소재입니다. 600~1000°C의 고온에서 YSZ는 이온 전도성과 열화학적 안정성이 뛰어나 SOEC용 전해질 소재로 선호됩니다.

YSZ 외에도 일부 다른 재료도 SOEC 전해질에 널리 사용됩니다. 예를 들어, 스칸디아 안정화 지르코니아(ScSZ) 및 산화세륨 기반 전해질은 특정 조건에서도 우수한 성능을 나타냅니다. 또한, 란타늄 갈레이트 기반 전해질이 점차 주목을 받고 있으며, 이러한 소재의 적용으로 SOEC 전해질에 대한 다양한 선택이 가능해졌습니다.

전극 재료 측면에서 수소 전극은 일반적으로 Ni-YSZ 금속 세라믹 복합재를 사용하는데, 이는 전도성이 좋을 뿐만 아니라 수소 생성을 촉진하기에 충분한 촉매 활성을 제공합니다. 산소 전극은 주로 산소 생성을 효과적으로 촉매하고 고온에서 안정성을 유지할 수 있는 스트론튬 도핑된 란타늄 갈레이트(LSM)와 YSZ의 복합재를 사용합니다.

SOEC의 구조는 크게 관형과 평면형의 두 가지 유형으로 나뉜다. 관형 SOEC는 가장 먼저 연구된 유형입니다. 추가적인 밀봉재가 필요하지 않고 연결 방법이 비교적 간단한 것이 가장 큰 장점이다. 그러나 관형 SOEC는 비용이 높고 전력 밀도가 낮다는 단점도 있습니다. 이에 반해 Flat SOEC는 높은 전력밀도와 저렴한 비용이라는 장점을 갖고 있어 최근 연구에서 핫스팟이 되고 있다. 그러나 플랫 SOEC는 밀봉에 큰 어려움을 겪고 있으며 고온 조건에서 밀봉 재료의 안정성을 극복해야 합니다.

SOEC의 작동 온도는 일반적으로 600~1000℃ 정도로 높으며 고온 수증기의 엔탈피가 높으므로 SOEC의 전기분해 전압은 1.3V까지 낮을 수 있는 반면 알칼리 전기분해 또는 양성자의 전기분해 전압은 교환막(PEM) 전기분해는 일반적으로 1.8V 이상입니다. 따라서 SOEC는 전력 소비 측면에서 분명한 이점을 가지고 있습니다. 최소 전력 소비 조건에서 3kWh의 전력으로 1표준 입방미터의 수소를 생산할 수 있습니다. 그러나 SOEC는 고온 수증기를 생산하기 위해 추가 에너지 소비가 필요하며 이는 원자력 수소 생산과 같은 일부 특수 응용 시나리오에서 고유한 이점을 갖습니다.

SOEC는 전력 소비와 효율성 측면에서 분명한 이점을 갖고 있지만 높은 작동 온도는 몇 가지 과제와 문제를 야기합니다. 첫 번째는 비용 문제이다. 고온 재료 및 제조 공정의 비용이 높습니다. 두 번째는 긴 시작 및 종료 시간입니다. SOEC가 작동하려면 고온에 도달해야 하기 때문에 시작 및 종료 프로세스가 상대적으로 느립니다. 또한, 사이클 수명 역시 해결해야 할 핵심 문제입니다. 고온 작동 조건에서 재료의 안정성과 내구성이 문제에 직면해 있습니다.

현재 고체산화물수 전기분해 수소생산 기술은 아직 실증 및 검증 단계에 있으며 아직 대규모 상용 응용에서는 실현되지 못하고 있다. 많은 어려움에도 불구하고 SOEC 기술은 특정 분야에서 큰 잠재력을 보여왔습니다. 예를 들어, 원자력 발전소의 폐열 활용 및 고온 산업 폐열 회수에서 SOEC 기술은 이러한 고온 열원을 수소로 효과적으로 전환하여 에너지의 효율적인 활용 및 전환을 달성할 수 있습니다.

앞으로도 SOEC 기술은 재료과학과 제조 공정의 지속적인 발전으로 현재의 기술적 병목 현상을 극복하고 더 높은 효율성과 더 낮은 비용을 달성할 것으로 기대됩니다. 추가 연구 및 개발은 전해질 및 전극 재료의 성능을 개선하고, 장비의 서비스 수명을 연장하며, 시스템의 전체 설계 및 작동 매개변수를 최적화하는 데 중점을 둘 것입니다. 다각적인 개선과 혁신을 통해 SOEC 기술은 미래 수소 경제에서 중요한 위치를 차지하고 재생 에너지 활용 및 수소 생산의 중요한 수단이 될 것으로 예상됩니다.