물과 이산화탄소를 동시에 전기분해하여 이용하는 고체 산화물 전기분해 전지 |
KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-05-21 |
노스웨스트 대학(Northwestern University)의 과학자들이 합성가스를 생산하기 위하여 재생 전력을 이용하여 구동하는 고체 산화물 전기분해 전지(Solid oxide electrolysis cell, SOEC)를 사용하여 물과 이산화탄소를 동시에 전기분해하는 공정에 기초한 재생 액화 연료 에너지 저장 사이클을 제안하고 이를 이용한 실험을 진행하고 있다. 이 공정에서 생산된 합성가스는 직접 연료전지(Direct fuelcell)에서 사용될 수 있는 액체 연료(예를 들어 메탄올 또는 합성 탄화 수소 물질들)로 전환된다. 직접 연료전지는 연료전지 내의 액체 연료의 산화 반응의 부산물로서 물과 이산화탄소를 발생시키면서 전기를 생산한다. 연료전지에서 발생되는 물과 이산화탄소는 포획되어 동시 전기분해 공정으로 재순환된다. 메탄올 또는 액체 탄화수소 사이클을 위해 가능한 전체 순환 효율은 연구자들이 계산한 재생에너지 자원들로부터 에너지를 저장하기 위한 수소 사이클의 순환 효율보다 높다. 이들의 연구는 5월 19일 `에너지 & 퓨얼스(Energy & Fuels)`에 발표되었다. 제안된 액체 연료 사이클-합성가스로부터 촉매 연료 생산-, 연료의 저장과 이송, 메탄올 또는 액체 탄화수소 물질들의 연료전지 이용 등과 같은 주요 단계들의 대부분은 이미 널리 이용되거나 시연되었다. 아직까지 이루어지지 않은 유일한 단계는 합성가스의 전기분해 생산으로 이 논문의 쟁점 내용이다. 고체 산화물 전기분해 전지 기술은 고체 산화물 연료전지(Soild oxide fuel cell, SOFC) 기술에 기초를 두고 있으며 비슷한 설계들 즉, Ni-YSZ 연료 전극들, YSZ 전해물들, LSM-YSZ 공기 전극 등을 이용한다. 비록 수명에 대한 문제가 있지만 SOEC 기기들은 물을 분해하는데 뛰어난 성능을 보인다고 저자들이 발표했다. 또한 SOEC는 화학적으로 유연성이 있으며 이산화탄소로부터 일산화탄소를 생산할 수 있다. 수소와 일산화탄소는 합성가스의 주 구성 성분이다. 연구팀은 고체 산화물 전기화학 전지들을 700~800도 사이에서 운전함으로써 전기 분해 반응을 일으켰다. 고체 산화물 전기화학 전지들은 Ni-YSZ 양극에 물-이산화탄소-수소 혼합물을 공급하고 LSCF-GDC 음극에 공기를 주입하여 반응시켰다(YSZ = 8 mol%, Y2O3-stabilized ZrO2; GDC = Ce0.9Gd0.1O1.95; and LSCF = La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3). 물의 전기 분해와 비교할 때, 전기 분해 성능은 물-이산화탄소 혼합물의 경우에 조금 감소하였으며 순수한 이산화탄소 전기 분해와 비교하면 매우 우수하였다. 질량 분석계를 이용한 측정 결과를 보면, 전기 분해 전류 밀도가 증가할수록 물과 이산화탄소의 소비가 증가하고 수소와 일산화탄소의 생산이 증가하였다. 800도, 1.3V의 전기분해기는 25%의 수소, 25%의 이산화탄소, 50%의 물인 조건에서 7sccm/cm2의 속도로 합성가스를 생산한다. 물-이산화탄소 전기분해 공정은 액체 연료 생산 공정에서 배출되는 열을 사용하여 액체인 물을 증기로 만들고 가스의 온도를 상승시키는 작용 등을 통해서 이용될 수 있다. 이와 같은 열의 이용은 공정의 전체 효율을 향상시킨다. |