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직접탄소 연료전지

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목차

1. 개요

직접탄소 연료전지(DCFC)는 탄소를 직접 연료로 사용하여 전기를 생산하는 기술이다. 이론적으로 높은 에너지 전환율과 함께, NOx, SOx 배출을 최소화하고 탄소 포집 기술과의 연계가 용이하다는 장점이 있다. 다양한 고체 탄소 연료와 바이오매스를 사용할 수 있으며, 기존 발전 시스템과 연계도 가능하다. DCFC는 고체 산화물 전해질, 용융 수산화물, 용융 탄산염, 용융 주석 양극, 충전식 등 다양한 방식으로 연구되고 있다.

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직접탄소 연료전지
개요
명칭직접 탄소 연료 전지
영어 명칭Direct Carbon Fuel Cell (DCFC)
일본어 명칭ダイレクトカーボン型燃料電池 (Dairekuto kābon-gata nenryō denchi)
기술
작동 원리탄소를 직접 산화시켜 전기를 생산하는 연료 전지
작동 온도높음 (일반적으로 700°C 이상)
전해질고체 산화물, 용융 탄산염 등
연료다양한 탄소 연료 (석탄, 코크스, 바이오매스 등)
효율높음 (이론적으로 80% 이상 가능)
장점다양한 연료 사용 가능
높은 에너지 효율
낮은 배출 가능성
단점높은 작동 온도
전극 및 전해질의 내구성 문제
탄소 연료의 불순물 관리 필요
연구 및 개발
주요 연구 분야전극 재료 개발
전해질 성능 향상
연료 공급 시스템 최적화
시스템 통합 및 스택 설계
활용 분야분산형 발전 시스템
산업용 전력 공급
수송용 전원
추가 정보
참고 문헌Giddey, S., Badwal SPS, Kulkarni A, Munnings C. A comprehensive review of direct carbon fuel cell technology. Progress in Energy and Combustion Science. 2012;38(3):360–399.
Munnings, C., Kulkarni, A., Giddey, S., Badwal, S.P.S. Biomass to power conversion in a direct carbon fuel cell. International Journal of Hydrogen Energy. 2014 August;39(23):12377–12385.
Rady, Adam C., Giddey, Sarbjit, Kulkarni, Aniruddha, Badwal, Sukhvinder P.S., Bhattacharya, Sankar. Degradation Mechanism in a Direct Carbon Fuel Cell Operated with Demineralised Brown Coal. Electrochimica Acta. 2014 October;143:278–290.

2. 이점

일반적으로 직접탄소 연료전지(DCFC)는 다음과 같은 잠재적인 이점을 가지고 있다.


  • 발전 시스템이나 기타 다른 에너지 시스템과 비교할 수 없는 이론적으로 높은 열역학 에너지 전환율(ηth=ΔG/ΔH=over 100%)을 가지고 있다. 이는 엔트로피 변환값이 모든 작동 온도(T>600'C) 구간에서 0에 가까운 양의 값을 가지며, 자유에너지 변환 값이 엔탈피 변환 값보다 항상 크기 때문이다.
  • NOx, SOx와 같은 부생 가스 배출을 최소로 줄일 수 있으며, 최종 산물은 매우 순도 높은 CO2 가스를 배출하기 때문에 차후 탄소 저장 및 포집(CCS) 기술과 연계가 용이하다.
  • 시스템이 고온에서 작동하기 때문에 다양한 종류의 고체 형태의 탄소 연료 (석탄, 코크스, char, 흑연) 뿐만 아니라 바이오매스도 연료로 이용이 가능하다.
  • 연료전지 기술 자체가 매우 잘 정립되어 있기 때문에 기존의 화력 발전소 혹은 석탄가스화복합발전(IGCC; Integrated Gasification Combined Cycle)과 연계하여 부생 가스(syngas, CH4, H2)와 잔존 석탄 찌꺼기 등을 연료로 이용이 가능하다.

3. 반응 메커니즘

직접탄소 연료전지(DCFC)에서 전체 반응식은 다음과 같다.

: C + O2 → CO2

==== 고체산화물전해질 기반 DCFC ====

고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 개념을 이용한다.[18][19]

연료극(anode)에서는 직접 및 간접 전기화학적 산화반응과 부두아르 반응(Boudouard) 반응이 일어난다.


  • '''연료극(anode) 반응'''

  • * 직접 전기화학적 산화반응


: C + 2O2− → CO2 + 4e−

: C + O2− → CO+ 2e−

  • * 간접 전기화학적 산화반응


: CO + O2− → CO2 + 2e−

  • * 부두아르 반응(간접 화학 반응)


: C + CO2 → 2CO

공기극(cathode)에서는 산소 환원 반응이 일어난다.

  • '''공기극(cathode) 반응'''


: O2 + 4e− → 2O2−

고체 산화물 전해질 기반 직접 탄소형 전지의 전체 반응식은 다음과 같다.

: C + O2 → CO2

==== 용융수산화물 연료전지 기반 DCFC ====

윌리엄 W. 자크는 1896년에 용융 수산화물 연료 전지에 대한 미국 특허 555,511호를 받았다.[9][20] SARA, Inc. 연구 그룹에서 프로토타입을 시연했다.[9][20]

==== 용융탄산염 연료전지 기반 DCFC ====

윌리엄 W. 자크는 1897년에 용융 탄산염 연료 전지(MCFC)에 대한 캐나다 특허를 받았다.[10][21] 이 방식은 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 오랫동안 연구되어 왔다.[11][22]

==== 용융 주석 양극 DCFC ====

이 설계는 용융 주석과 산화 주석을 사용하여, 양극에 용해된 탄소의 산화와 고체 산화물 음극에서의 산소 환원 사이의 중간 단계 반응을 수행한다.[12][13][23][24]

==== 충전식 DCFC ====

도쿄공업대학의 이하라 마나부 등의 연구에 의해, 탄화수소를 열분해한 순수 탄소를 에너지원으로 한 다이렉트 카본형 연료 전지가 최대 출력 0.26W/cm2에 달했다고 발표했다. 기존의 SOFC 소자는 탄화수소 분위기 내에서 연료극에 탄소가 석출되면서 수명이 악화되었지만, 반대로 에너지원으로 활용함으로써 새로운 반응 프로세스를 발견했다. Ni/YSZ(니켈과 이트리아 도핑 지르코니아(YSZ))에 SrZr0.95Y0.05O3-α(SZY), Ni/GDC(가돌리늄 도핑 세리아(GDC))에 SrCe0.95Yb0.05 O3-α(SCYB) 등의 양성자 전도체를 전극에 인필트레이션법으로 미량 첨가함으로써 연료극의 고활성화 및 탄소의 석출이 억제되는 것이 증명되었다[25].

3. 1. 고체산화물전해질 기반 DCFC

직접탄소 연료전지(DCFC)에서 고체산화물전해질을 기반으로 하는 방식은 고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 개념을 이용한다.[18][19]

연료극(anode)에서는 직접 및 간접 전기화학적 산화반응과 부두아르(Boudouard) 반응이 일어난다.

  • '''연료극(anode) 반응'''

  • * 직접 전기화학적 산화반응


: C + 2O2− → CO2 + 4e−

: C + O2− → CO+ 2e−

  • * 간접 전기화학적 산화반응


: CO + O2− → CO2 + 2e−

  • * 부두아르 반응(간접 화학 반응)


: C + CO2 → 2CO

공기극(cathode)에서는 산소 환원 반응이 일어난다.

  • '''공기극(cathode) 반응'''


: O2 + 4e− → 2O2−

고체 산화물 전해질 기반 직접 탄소형 전지의 전체 반응식은 다음과 같다.

: C + O2 → CO2

3. 2. 용융수산화물 연료전지 기반 DCFC

윌리엄 W. 자크는 1896년에 용융 수산화물 연료 전지에 대한 미국 특허 555,511호를 받았다.[9][20] SARA, Inc. 연구 그룹에서 프로토타입을 시연했다.[9][20]

3. 3. 용융탄산염 연료전지 기반 DCFC

윌리엄 W. 자크는 1897년에 용융 탄산염 연료 전지(MCFC)에 대한 캐나다 특허를 받았다.[10][21] 이 방식은 로렌스 리버모어 국립 연구소에서 오랫동안 연구되어 왔다.[11][22]

3. 4. 용융 주석 양극 DCFC

이 설계는 용융 주석과 산화 주석을 사용하여, 양극에 용해된 탄소의 산화와 고체 산화물 음극에서의 산소 환원 사이의 중간 단계 반응을 수행한다.[12][13][23][24]

3. 5. 충전식 DCFC

도쿄공업대학의 이하라 마나부 등의 연구에 의해, 탄화수소를 열분해한 순수 탄소를 에너지원으로 한 다이렉트 카본형 연료 전지가 최대 출력 0.26W/cm2에 달했다고 발표했다. 기존의 SOFC 소자는 탄화수소 분위기 내에서 연료극에 탄소가 석출되면서 수명이 악화되었지만, 반대로 에너지원으로 활용함으로써 새로운 반응 프로세스를 발견했다. Ni/YSZ(니켈과 이트리아 도핑 지르코니아(YSZ))에 SrZr0.95Y0.05O3-α(SZY), Ni/GDC(가돌리늄 도핑 세리아(GDC))에 SrCe0.95Yb0.05 O3-α(SCYB) 등의 양성자 전도체를 전극에 인필트레이션법으로 미량 첨가함으로써 연료극의 고활성화 및 탄소의 석출이 억제되는 것이 증명되었다[25].

4. 한국의 DCFC 연구 개발 현황

참조

[1] 논문 Biomass to power conversion in a direct carbon fuel cell 2014-08
[2] 논문 Degradation Mechanism in a Direct Carbon Fuel Cell Operated with Demineralised Brown Coal 2014-10
[3] 논문 A comprehensive review of direct carbon fuel cell technology
[4] 논문 Degradation Mechanism in a Direct Carbon Fuel Cell Operated with Demineralised Brown Coal 2014-10
[5] 논문 Biomass to power conversion in a direct carbon fuel cell 2014-08
[6] 논문 Durable power performance of a direct ash-free coal fuel cell
[7] 논문 Mixed ionic electronic conducting perovskite anode for direct carbon fuel cells
[8] 간행물 Tubular Solid Oxide Fuel Cell Technology http://www.fossil.en[...] US Dept of Energy 2012-01-01
[9] 간행물 Abundant Pollution-free Electricity Generation http://www.sara.com/[...] 2012-01-01
[10] 웹사이트 CIPO - Patent - 55129 http://patents.ic.gc[...] 2008-09-13
[11] 간행물 Turning carbon directly into electricity https://www.llnl.gov[...] 2012-01-01
[12] 웹사이트 http://www.celltechp[...] 2009-02-18
[13] 논문 Enhanced anode interface for electrochemical oxidation of solid fuel in direct carbon fuel cells: The role of liquid Sn in mixed state
[14] 논문 Biomass to power conversion in a direct carbon fuel cell 2014-08
[15] 논문 Degradation Mechanism in a Direct Carbon Fuel Cell Operated with Demineralised Brown Coal 2014-10
[16] 논문 A comprehensive review of direct carbon fuel cell technology http://www.sciencedi[...]
[17] 논문 Durable power performance of a direct ash-free coal fuel cell
[18] 논문 Mixed ionic electronic conducting perovskite anode for direct carbon fuel cells http://www.sciencedi[...]
[19] 간행물 Tubular Solid Oxide Fuel Cell Technology http://www.fossil.en[...] US Dept of Energy 2012-01-01
[20] 간행물 Abundant Pollution-free Electricity Generation http://www.sara.com/[...] 2012-01-01
[21] 웹사이트 アーカイブされたコピー http://patents.ic.gc[...] 2008-09-13
[22] 간행물 Turning carbon directly into electricity https://www.llnl.gov[...] 2012-01-01
[23] 웹사이트 アーカイブされたコピー http://www.celltechp[...] 2009-02-18
[24] 논문 Enhanced anode interface for electrochemical oxidation of solid fuel in direct carbon fuel cells: The role of liquid Sn in mixed state
[25] 웹사이트 燃料極反応機構をベースにしたドライ炭化水素を直接燃料とする固体酸化物燃料電池の開発 https://www.nedo.go.[...] 2020-12-01
[26] 논문 Durable power performance of a direct ash-free coal fuel cell
[27] 논문 Enhanced anode interface for electrochemical oxidation of solid fuel in direct carbon fuel cells: The role of liquid Sn in mixed state


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