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1. 서론 연료전지는 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환하기 위해 소규모에서도 높은 발전효율을 갖고 양질의 배열도 이용할 수 있는 시스템이다. 각종 연료전지 중에서도 고체 산화물형 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)가 주목받고 있으며, 연구개발이 활발히 수행되고 있다. 여기서 특히 SOFC를 구성하는 전해질, 전해재료 등의 연구개발의 현황과 전해질에 요구되는 특성과 과제를 도출한다. 또한 이 과제를 해결하는 방안을 고찰하고, 기술적 과제를 해결하기 위한 새로운 전해질의 연구개발을 고찰한다. 2. SOFC 시스템의 연구개발 현황 일본에서는 1981년부터 문라이트계획에 따라 SOFC의 연구개발을 시작하였다. 그 후 NEDO 프로젝트로 제1기 (1989~1991)에서 수 100W급 전지 본체의 연구개발, 제2기(1992~2000)에서 원통형 및 평판형 SOFC의 원가절감, 신뢰성 향상을 위한 연구개발, 제3기(2001~2004)에서 SOFC 실용시스템(10수KW급)의 연구개발을 수행하였다. 특히 2004년부터 SOFC의 도입과 보급을 강력히 주장하고 신뢰성 향상에 관한 기술, 보급을 위한 기술개발 등을 중점적으로 추진하고 있다. 또한 섭씨 700~800도의 중온도 동작의 발전 시스템에 대한 연구개발도 추진되고 있다. 미국에서는 DOE의 비전지 프로그램으로 개발하기 시작하였으며, 산학관협력에 의해 강력한 제휴시스템이 구축되었다. 2010년까지 고성능화, 고신뢰화 기술을 확립하고 2015년경에는 석탄가스, 천연가스 등을 사용하여 고위 발열량 기준 50% 수준의 시스템을 개발할 계획이다. 3. 전해질의 연구개발 현황과 과제 1) 전해질의 연구개발 현황 SOFC의 성능은 사용되는 전해질의 이온 전도율이 높을수록 향상된다. 고온 동작형 SOFC에서는 전해질로 YSZ, 연료 극재료로서는 Ni-ZrO2, 공기 전극재료로서는 LaMn03 등을 많이 연구하고 있다. 그 밖의 전해질로서는 BaCeO3,, SrCeO3 등의 수소이온 전도재료 연구개발도 수행되고 있다. 2) 전해질에 요구되는 특성과 과제 전해질에 요구되는 특성으로는 발전특성과 장시간 신뢰성을 들 수 있다. 장시간 신뢰성을 확보하기 위해 전해질과 전극재료의 선택과 조합에 따라 프로세스, 셀 구조, 시스템화, 성능, 내구성 등의 평가기술에 관한 많은 과제가 있다. 이 과제를 발전성능, 시스템 구조, 구조 프로세스로 분류하여 검토하고 있다. - 고발전성능과 장시간 성능 안전성 - 고강도, 고신뢰성을 갖는 시스템 구조 - 원가 절감형 구조 프로세스 4. 전해질에서의 과제 해결방안 1) 전해질에서의 이온 전도 메커니즘의 해명 필요성 - SOFC 시스템의 발전성능을 장기간 유지하기 위해서는 셀 구성 재료의 성능저하를 지배하는 메커니즘을 규명할 필요가 있다. 2) 전해질의 손상, 열화 메커니즘을 해명해야 한다. 3) 전해질을 포함한 셀 구성 재료의 저가 구조 프로세스를 개발한다. 4) 동작온도가 낮은 새로운 전해질을 탐색한다. 5. 산학관협동의 방향 현재 시스템의 신뢰성 확보문제, 원가절감 등 해결해야 할 과제가 많이 남아 있다. 많은 과 제들을 해결하기 위해 전해질, 셀, 재료의 개량, 신규개발이 산학관협동에 의해 추진되어야 한다. 혁신적 SOFC의 창출을 위해 기초연구가 매우 중요하다. 따라서 대학과 연구기관이 협력하여 기초연구를 충실히 수행해야 한다. 6. 결론 앞에서 고찰한 바와 같이 고온형 SOFC의 실용화를 위해 발전성능의 장기간 유지, 원가절감, 고신뢰성을 달성해야 한다. 이 과제들을 해결하기 위해 산학관이 같이 협동하여 기초연구부터 충실하게 수행해야 한다. (목차) 1. 서론 2. SOFC의 연구개발 배경과 기대 (1) 고효율 발전 시스템으로서의 SOFC (2) SOFC의 응용이 기대되는 분야 3. SOFC 시스템의 연구개발 현황 (1) 국내외 SOFC의 연구개발 현황 (2) SOFC의 동작원리 (3) SOFC의 스태그 구조 4. 전해질의 연구개발 현황과 과제 (1) 전해질의 연구개발 현황 (2) 전해질에 요구되는 특성과 과제 5. 전해질에서의 과제 해결방안 (1) 전해질에서 이온전도 메커니즘의 해명 필요성 (2) 전해질의 손상, 열화 메커니즘의 해명 (3) 셀 구성 재료의 원가절감 구조 프로세스의 개발 (4) 동작온도가 낮은 새로운 전해질의 탐색 6. SOFC 연구개발에서의 산학관협동의 방향 7. 결론 |
