Introduction

Solid oxide fuel cells, or SOFC, are intended mainly for stationary applications with an output from 1 kW to 2MW. They work at very high temperatures, typically between 700 and 1000ºC. Their off-gases can be used to fire a secondary gas turbine to improve electrical efficiency. Efficiency could reach as much as 70% in these hybrid systems, called Combined Heat and Power device (CHP). In these cells, oxygen ions are transferred through a solid oxide electrolyte material at high temperature to react with hydrogen on the anode side. Due to the high operating temperature of SOFC's, they have no need for expensive catalyst, which is the case of Proton-exchange fuel cells (platinum). This means that SOFC's do not get poisoned by carbon monoxide and this makes them highly fuel-flexible. Solid oxide fuel cells have so far been operated on methane, propane, butane, fermentation gas, gasified biomass and paint fumes. However, sulfur components present in the fuel must be removed before entering the cell, but this can easily be done by an active coal bed or a zinc absorbent.

Thermal expansion demands a uniform and slow heating process at startup. Typically, 8 hours or more are to be expected. Micro-tubular geometries promise much faster start up times, typically 13 minutes.^[1]

Unlike most other types of fuel cells, SOFC's can have multiple geometries. The planar geometry is the typical sandwich type geometry employed by most types of fuel cells, where the electrolyte is sandwiched in between the electrodes. SOFC's can also be made in tubular geometries where either air or fuel is passed through the inside of the tube and the other gas is passed along the outside of the tube. The tubular design is advantageous because it is much easier to seal and separate the fuel from the air compared to the planar design. The performance of the planar design is currently better than the performance of the tubular design however, because the planar design has a lower resistance compared to the tubular design.

How a Solid Oxide Fuel Cell Works

A solid oxide fuel cell is made up of four layers, three of which are ceramics (hence the name). A single cell consisting of these four layers stacked together is typically only a few millimeters thick. Hundreds of these cells are then stacked together in series to form what most people refer to as a “solid oxide fuel cell.” The ceramics used in SOFCs do not become electrically and ionically active until they reach very high temperature and as a consequence the stacks have to run at temperatures ranging from 700 to 1200 °C.

Cathode

The ceramic cathode layer must be porous, so that it allows air flow through it and into the electrolyte. There are various types of ceramic materials used for the cathode, but all of them must be electrically conductive. The cathode is the negative side of the cell towards which electrons flow. It is the side that is exposed to air and its purpose is to use electrons to reduce the oxygen molecules in the air to oxygen ions.

Electrolyte

The electrolyte is the dense, gas-tight layer of each cell that acts as a membrane separating the air on the cathode side from the fuel on the anode side. There are many ceramic materials that are being studied for use as an electrolyte, but the most common are zirconium oxide based. Besides being air-tight, the electrolyte must also be electrically insulating so that the electrons resulting from the oxidation reaction on the anode side are forced to travel through an external circuit before reaching the cathode side. The most important requirement of the electrolyte however is that it must be able to conduct oxygen ions from the cathode to the anode. For this reason, the suitability of an electrolyte material is typically measured in ionic conductivity.

Anode

The ceramic anode layer must be very porous to allow the fuel to flow to the electrolyte. Like the cathode, it must conduct electricity. The most common material used is a cermet made up of nickel mixed with the ceramic material that is used for the electrolyte in that particular cell. The anode is commonly the thickest and strongest layer in each individual cell, and is often the layer that provides the mechanical support. Electrochemically speaking, the anode’s job is to use the oxygen ions that diffuse through the electrolyte to oxidize the fuel (hydrogen). The oxidation reaction between the oxygen ions and the hydrogen fuel produces both water and electricity.

Interconnect

The interconnect can be either a metallic or ceramic layer that sits between each individual cell. Its purpose is to connect each cell in series, so that the electricity each cell generates can be combined. Because the interconnect is exposed to both the oxidizing and reducing side of the cell at high temperatures, it must be extremely stable. For this reason, ceramics have been more successful in the long term than metals as interconnect materials. However, these ceramic interconnect materials are extremely expensive. Fortunately, inexpensive metallic materials are becoming more promising as lower temperature (600-800°C) SOFCs are developed.

Research

Research is going now in the direction of lower-temperature SOFC (600ºC) in order to decrease the materials cost, which will enable the use of metallic materials with better mechanical properties and thermal conductivity.

Research is also going on in reducing start-up time to be able to implement SOFC's in mobile applications. Due to their fuel flexibility they may run on partially reformed diesel, and this makes SOFC's interesting as auxiliary power units (APU) in refrigerated trucks.

Specifically, Delphi Automotive Systems and BMW are developing an SOFC that will power auxiliary units in automobiles. A high-temperature SOFC will generate all of the needed electricity to allow the engine to be smaller and more efficient. The SOFC would run on the same gasoline or diesel as the engine and would keep the air conditioning unit and other necessary electrical systems running while the engine shuts off when not needed (e.g., at a stop light).

Rolls-Royce are developing Solid-Oxide Fuel Cells produced by screen printing onto inexpensive ceramic materials. Rolls-Royce Fuel Cell Systems Ltd is developing a SOFC gas turbine hybrid system fuelled by natural gas for power generation applications generating power of the order of a megawatt.^[2]

Ceres Power Ltd. are developing a low cost and low temperature (500-600 degrees) SOFC using cerium gadolinium oxide in place of current industry standard ceramic (yttria stablised zirconia) which allows the use of stainless steel to support the ceramic.

See also

• Fuel cell
• Hydrogen technologies

Notes and references

1. ↑ Sharke, Paul (2004). "Freedom of Choice". Mechanical Engineering 126 (10): 33.
2. ↑ Adamson, F (2004). "Propagating Reaction Fronts in Zirconia Tubes". PhD thesis.

P. Batfalsky, V.A.C. Haanappel, J. Malzbender, N.H. Menzler, V. Shemet, I.C. Vinke, R.W. Steinbrech, Chemical interaction between glass–ceramic sealants and interconnect steels in SOFC stacks, Journal of Power Sources, 155 (2006) 128.

J. Malzbender, T. Wakui, R.W. Steinbrech, L. Singheiser, Deflection of Planar Solid Oxide Fuel Cells During Sealing and Cooling of Stacks, Fuel Cell 2 (2006) 123.

External links

• Rolls-Royce Solid-Oxide Fuel Cells. RollsRoyce.com. Retrieved on February 2, 2006.

• Ceres Power Ltd.. www.cerespower.com. Retrieved on September 1, 2006.

• Prototech Energy. prototech.no. Retrieved on March 3, 2006.

• Siemens SFC-200. www.powergeneration.siemens.com. Retrieved on June 2, 2006.

• More Powerful Fuel Cells Get Closer To Market - a significant step in making high-temperature fuel cells practical.

출처 : www.corrosion-doctors.org/FuelCell/sofc.htm

Solid Oxide Fuel Cells

SOFCs have recently emerged as a serious high temperature fuel cell technology. Of primary importance is the fact that SOFCs require no liquid electrolyte, with associated Corrosionand electrolyte management problems. This system is based upon the use of a solid ceramic as the electrolyte and operates at extremely high temperatures (1000°C). This high operating temperature allows internal reforming, promotes rapid electrocatalysis with non-precious metals, and produces high quality byproduct heat for cogeneration. It is best suited for provision of power in utility applications due to the significant time required to reach operating temperatures. Programs are underway in Japan and in U.S. The development of suitable materials and the fabrication of ceramic structures are presently the key technical challenges facing SOFCs. A schematic description of the components in a SOFC is shown here:

The electrolyte typically consists of a solid non-porous such as Y₂O₃ stabilized ZrO₂ with conductivity based on oxygen ions (O₂-). Typically the anode is made of a Co-ZrO₂ or Ni-ZrO₂ cermet, and the cathode of Sr doped LaMnO3. The solid state character of all SOFC components means that there is no fundamental restriction on the cell configuration. Cells are being constructed in two main configurations, i.e. tubular cells, such as those being developed at Westinghouse Electric Corporation since the late 1950s, and a flat plate configuration adopted more recently by many other developers.

EPRI considers SOFCs, which employ a ceramic, solid-state electrolyte (zirconium oxide stabilized with yttrium oxide), the only fuel cell technology with the potential to span market-competitive applications from residential loads as small as 2 kW to wholesale distributed generation units of 10 - 25 MW. Because SOFCs operate at a higher temperature than MCFCs, their simple system efficiency is theoretically not quite as good as that of MCFCs, although it is better than the efficiencies of PAFCs and PEM fuel cells. But the 850 - 1000°C waste heat that SOFCs produce, when used for cogeneration or for driving an integrated gas turbine, can boost overall system energy efficiency to very attractive levels. Moreover, SOFCs operate at a high enough temperature to incorporate in their an internal fuel reformer that uses heat from the fuel cell, along with recycled steam and a catalyst, to convert natural gas directly into a hydrogen-rich fuel.

High-efficiency systems coupling advanced SOFCs with small gas turbines and having a combined rating in the range of 250 kW to 25 MW are expected to fit into grid-support or industrial on-site generation markets, and they potentially could compete head-on with wholesale power rates. Both PEM fuel cells and SOFCs could someday be suitable for small-scale residential market applications if ultimate cost goals are reached, i.e. $1000/kW.

출처 :  http://www.h2.re.kr/

   태양광을 에너지로 이용하며, 물이나 유기물질로부터 미생물 내에 존재하는 자가 증식형 메카니즘에 의한 수소 생산은 에너지 생산 기술일 뿐만 아니라, 공기중 이산화탄소를 변환하여 탄수화물로 미생물 내에 축적하는 이산화탄소 저감 환경기술이며, 유기물질 농도가 높은 식품계 공장 폐수에 적용할 경우 유기물질로부터 수소를 생산하고 폐수의 COD를 낮추는 환경처리도 할 수 있다. 또한 광합성 미생물 자체에 축적되는 β-carotene, astaxanthin과 같은 고부가가치 식․의약품의 생산기술로도 활용되고 있다.
   생물학적 수소생산 기술은 다양하여 기질로 사용되는 원료물질에 따라 물, 유기물, 가스로 크게 구분되며, 또한 미생물의 다양한 메카니즘에 따라 여러가지 기술이 알려져있으며 아직도 새운 기술 및 다양한 수소 생산 미생물에 대한 연구가 왕성하다. 이 중에서도 ① 녹조류 (green algae)가 광합성 메카니즘에 의해 물로부터 양성자와 전자를 공급받아 수소를 생산하는 직접 물 분해 수소생산 기술(direct bio-photolysis) ② 광합성 작용에 의해 물을 분해하여 산소를 발생하고, 동시에 공기 중 이산화탄소를 고정하여 고분자 저장물질로 균체 내에 합성한 후 혐기 발효 또는 광합성 발효에 의해 수소를 발생하는 간접 물 분해 수소생산 기술(indirect bio-photolysis or two stage photolysis) ③ 최근 일본을 비롯한 유기성 폐자원이 풍부한 국가에서 집중적으로 연구되는 기술로써, 유기물로부터 purple non-sulfur bacteria에 의한 광합성 발효에 의한 수소생산(photo-fermentation) 또는 ④ 광이 존재하지 않는 조건에서 혐기 미생물에 의해 유기물 자체가 에너지원으로  사용되는 발효에 의한 수소생산 기술 (dark fermentation) ⑤ 광합성에 관여하는 엽록체 및 미생물 효소를 추출하여, 물 또는 유기물로 부터 수소를 발생하는 균체 외 (in vitro) 수소 발생 ⑥ 광합성 미생물의 일산화탄소 가스 전환 반응 (microbial shift reaction)에 의한 수소 생산 기술로 구분할 수있다. 

   국내의 산업 및 자연환경에 가장 적합하고 실용화 가능성이 높은 것은 무엇일까?

   첫 째 유기물로부터 혐기미생물을 이용한 dark-fermentation과 광합성 미생물을 이용한 photo-fermentation을 연속적으로 적용하여 유기성 폐수 및 폐기물로부터 최대 효율로 수소를 생산하는 연구와, 둘째 미생물이 생산하는 수소생산 관련 효소 및 광합성 시스템을 균체 외로 분리하여 물 또는 유기물로부터 in vitro 방법에 의한 수소생산을 개발하여, 수소에너지 시스템과 연계한 대량 생산이다.  

   혐기 및 광합성 발효에 의한 유기물질로부터 수소생산은 최근 국내 및 일본을 비롯한 유기성 폐자원이 풍부한 나라에서 집중적으로 연구되는 기술로서, 유기물로부터 혐기 및 광합성 미생물을 각각 적용시킴으로써 수소를 생산하는 즉, 유기물 자체가 에너지원으로 사용되는 발효에 의한 수소발생 기술이다.
   수소를 생산할 수 있는 세균 중에는 빛이 없는 혐기 발효 조건에서 유기물을 이용하여 배양액 중에 각종 유기산, 유기용매를 축적하고, 동시에 수소와 이산화탄소를 발생한다.  클로스트리디움 속은 가장 잘 알려진 혐기 발효 수소생성 세균이며 현재 이들을 이용한 수소생산에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.

       C6H12O6(glucose) +6H2O → 2CH3COOH (acetic acid) + 4H2 + 2CO2

       C6H12O6(glucose)  → 2CH3(CH)2COOH (butyric acid) + 2H2 + 2CO2

   위의 경우 glucose 1 분자는 혐기 미생물이 갖는 자체 내 발효 메카니즘에 의해 2 분자의 acetic acid와 동시에 4분자의 수소를 생산한다. 생성되는 수소양은 어떠한 유기산이 생성되는가에 따라 차이는 있지만, butyric acid가 생성될 경우는 2분자의 수소가 발생한다.

   이와 같은 수소생성량은 glucose 1분자로부터 최대 생성되는 12분자 수소 중 4분자만이 생성되므로 약 33% 전환에 불과하지만, 동시에 발생하는 유기산 즉 acetic acid나 butyric acid 등은 광합성 세균에 의한 발효로 다시 수소 생산을 유도할 수 있다. 즉,

       2CH3COOH (acetic acid) +4H2O → 4CO2 + 8H2

   광합성 세균은 조류나 식물이 PS I(Photosynthetic system I) 과 PS II (Photosynthetic system II)를 모두 광합성에 이용하는 것과는 달리 PS I 만을 이용하여 광합성과 수소생산을 한다. 즉 cytochrome 색소 복합체로 구성된 반응계(reaction center)가 있어서 빛에너지를 색소가 흡수하면 반응계의 전위차가 형성되어 cyclic 전자 전달계를 생성하며, 이때 ATP라는 고 에너지 화합물을 합성한다. 한편 기질로부터 공급된 전자는 ferredoxin에 전달되고, 이 환원력과 ATP를 이용하여 nitrogenase 효소는 양성자(H+)를 수소 H2를 환원한다. 광합성 세균은 대사적인 다양성을 갖고있어 산소가 있을 경우나 없을 경우 모두 성장 할 수 있고 , 광합성 작용으로 수소를 생산할 수 있다. 이러한 다양성 때문에 기질의 이용효율에 차이는 있지만 단당류, 이당류 및 각종 유기산을 모두 배양 기질로 사용할 수 있어서 실질적으로 수소 생산을 쉽게 유도할 수 있다. 광합성 세균 중에서 대표적으로 이용되는 홍색 비유황 세균(purple non-sulfur bacteria)는 이론적으로 acetic, lactic, 또는 butyric acids로부터 각각 4, 6, 7분자의 수소가 생성된다. 정리하면 glucose 1분자로부터 혐기 세균과 광합성 세균을 적용할 때 최대 12분자의 수소가 발생하지만 실질적으로는 미생물의 배양조건 즉 pH 변화, 빛 이용효율, 온도등에 의해 최대 8-9분자가 발생하는 것으로 보고되고 있다. 유기물질이 다량 함유되어 있는 식품계 공장폐수나 하천 슬러지, 농수산 시장의 폐기물은 이와 같은 혐기 및 광합성 세균을 이용하여 수소를 생산할 수 있는 좋은 바이오매스로써 에너지 생산과 환경 처리를 동시에 할 수 있는 것으로 타당성이 검토되어 국내외에서 기술이 개발 중이다.

연료전지는 건물에 열과 전기를 공급하고, 전기 자동차에 에너지를 공급하는데 사용되는 첨단기술이다. 이러한 것들이 이상적인 순수한 수소를 사용 하지만 머지않아 천연가스, 메탄올, 심지어 가솔린을 연료로 사용할 수 있을 것이다. 이 연료들을 수소를 만들기 위해 개량하는 것은 연료 전지가 단계적으로 도입되는 동안 주유소, 천연가스 관로등. 현재 우리의 에너지 사용에 많은 부분에 영향을 줄 것이다.

연 료전지는 건전지와 비슷하지만 충전이 필요하지 않다. 이것은 연료의 공급에 의해 오랜시간 열과 전기를 발생할 것이다. 연료 전지는 2개의 극으로 되어있다. 양극과 음극사이에 전해질이 놓여져 구성된다. 수소는 양극에 공급된다. 그리고 산소는 음극에 공급된다. 촉매가 작용하여 수소 원자는 양자와 전자로 나누어 지고 각각 다른 경로로 이동한다. 전자는 외부의 회로를 지난서 전기의 흐름을 일으킨다. 양자는 음극과 전해질을 통해 이동한다. 그곳에서 산소전자와 반응하여 물과 열을 일으킨다. 연료 전지는 차량에 에너지를 공급하고 건물에 전기와 열을 제공하는데 사용된다.

현재 개발중인 주요한 연료전지는 다음과 같다:

• 인산 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cells)
  이 연료 전지는 오늘날 상용화 된 것으로 200개 이상의 연료 전지 시스템이 전세계에 병원, 사설 요양원, 호텔, 사무실, 학교, 공공 사업 발전소, 공항 터미널 그리고 심지어 도시 쓰레기 수거장 - 걸쳐 설치 되어있다. 인산 전지는 40% 이상의 효율로 전기를 생산하는데, 이 연료 전지가 생산하는 증기의 85%가 cogeneration에 쓰인다. 미국의 공공 발전소에서 35% 로 생산하는 것과 비교될 수 있다. 온도는 화씨 400도 범위 내에서 조절해 준다.
• 양성자 교환 막 연료전지(Proton-Exchange Membrane Fuel Cells)
  이 전지는 상대적으로 낮은 온도에서( 화씨 200도 정도) 조작되고, 동력 밀도가 높으며, 변하는 동력 요구를 빨리 만족 시킬 수 있는가에 따라 그 생산량은 달라질 수 있다. 또 자동차와 같이 운전이 빨리 개시 되어야 하는 응용 분야에도 적용이 가능하다. 미국 에너지 부에 따르면, 엔진 소비가 적은 운송기와 건물 및 재충전 건전지 대용품과 같은 훨씬 소형에 응용도 가능한 주요 후보로써 연료 전지를 들었다. 양성자 교환 막은 수소 이온을 통과 시켜 주는 얇은 플라스틱 판이다. 그 막은 활성화된 촉매인 미량의 금속 합성 입자들로(대부분 플라티늄) 된 양 극에 입혀진다. 수소는 촉매로인해 수소 원자가 전자를 방출하고 수소 이온(양성자)이 되도록 하는 연료 전지의 양극으로 보내진다. 전자는 산소를 공급 받을 수 있는 연료 전지의 음극으로 가기 전에 사용 가능한 전류의 형태로 이동한다. 동시에 양성자는 막을 통해서 음극으로 확산되고, 이곳에서 수소 원자는 재 결합되고, 산소와 반응하여 물을 만들면서 전체 공정이 끝나게 된다 .
• 고형 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells)
  또 다른 유망한 연료 전지로, 고형 산화물 연료 전지가 산업과 대형의 중앙 전기 발생 시설을 포함해서 크고 동력이 높은 것에 적용되어 왔다. 어떤 연구가는 이것을 자동차에도 적용하고, 연료 전지 보조 동력 장치로 개발하고 있다. 고형 산화물 시스템은 액체 전해질 보다는 화씨 1800도씨에서도 운전할 수 있는 단단한 세라믹 물질을 주로 사용한다. 동력 발생 효율은 60%에 이른다. 고형 산화물은 연속된 긴 튜브로 된 것과 캔의 윗면과 같이 생긴 압축된 원반 형태가 있다. 튜브형은 거의 상용화가 되었고, 세계 곳곳에서 여러 회사들에 의해 생산되고 있다.
• 직접 메탄올 연료전지(Direct-Methanol Fuel Cells)
  이 전지는 전해질로 고분자 막을 사용한다는 점에서 양성자 교환 막과 비슷하다. 그러나 이 전지는 양극 촉매 자체가 액체 메탄올에서 수소를 얻을 수 있기 때문에, 연료를 다시 재생 시켜주어야 할 필요가 없다. 일반적으로 약 화씨 120에서 190도 씨 정도에서 운전할 때 이 전지의 효율은 약 40%정도이다. 온도가 높아질수록 효율도 높아진다.
• 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cells)
  용융 탄산염 연료 전지는 연료 대 전기 효율이 높고, 약 화씨 1200도에서 운전할 수 있다. 최근에는 수소, 일산화 탄소, 천연 가스, 프로판, 매립에서 발생하는 가스, 해양 디젤, 모의 석탄 가스 발생 제품등에 사용되고 있다. 10 kW 에서 2 MW정도의 용융 탄산염 연료 전지가 다양한 연료로 시험 되어 왔으며, 일본이나 이탈리아 같은 곳에서 변동없이 성공적으로 사용되어왔다.
• 알카라인 연료전지(Alkaline Fuel Cells)
  NASA 에서 오랜 동안 작업 해왔던 이 전지는 70%까지 동력 재생 효율을 얻을 수 있다. 전해질로는 알칼리 수산화 칼륨을 사용한다. 최근 까지도 상용화 되기엔 너무 비싼 가격이었지만, 몇몇 회사들이 가격을 낮추고 운전상의 유연성을 증진시킬 방법을 고안하고 있다.
• 재생, 가역 연료 전지 (Regenerative or Reversible Fuel Cells)
  연료 전지 중에서 얼마 되지 않은 편에 속하는 재생 연료 전지는 동력 생산을 closed-loop form으로 한다는 점에서 흥미로운 전지이다.물은 태양으로 동력 받은 전기 분해기에 의해 수소와 산소로 분리된다. 수소와 산소는 연료 전지로 들어가서 전기와 열 그리고 물을 생산한다. 그리고 나서 이 물은 다시 태양열로 발전된 전기 분해기로 재순환되고, 공정은 다시 시작된다. 이 연료 전지는 현재 NASA와 다른 세계 곳곳에서 연구되고 있다.