재생연료전지

Regenerative fuel cell

회생연료전지 또는 역연료전지(RFC)는 역방향 모드로 운영되는 연료전지로, 전기와 화학 B를 소비하여 화학 A를 생산한다. 정의상, 연료전지의 과정은 역전될 수 있다.[1] 단, 주어진 기기는 대개 하나의 모드에서 작동하도록 최적화되어 있으며, 거꾸로 작동할 수 있는 방식으로 제작되지 않을 수 있다. 역방향으로 작동되는 표준 연료전지는 일반적으로 고압 전해질,[2] 재생 연료전지, 고체산화 전해질 전지 및 단위 재생 연료전지와 같이 특별히 제작되지 않는 한 매우 효율적인 시스템을 만들지 않는다.[3]

공정설명

예를 들어 수소를 연료로 하는 양성자 교환막 연료전지는 전기와 물(HO2)을 생산하기 위해 수소 가스(H2)와 산소(O2)를 사용한다. 재생 수소 연료전지는 수소와 산소를 생산하기 위해 전기와 물을 사용한다.[4][5][6]

연료전지가 회생모드로 작동하면 수소발생모드(후진연료전지모드)에서 전기생산모드(연료전지모드)의 양극이 되고, 그 반대로도 음극이 된다. 외부 전압이 인가되면 양극 쪽의 물은 산소와 양자를 형성하기 위해 전기분해를 겪게 될 것이고, 양자는 고체 전해질을 통해 수소를 형성하기 위해 감소될 수 있는 음극으로 이동될 것이다. 이 역방향 모드에서는 연료전지 모드의 극성과 반대되는 전지의 극성은 연료전지 모드의 극성이다. 다음의 반응은 수소 발생 모드의 화학적 과정을 설명한다.

음극시: HO2 + 2e−2− → H + O2

양극에서: O2− → 1/2O2 + 2e−

전체 : HO2 → 1/2O22 + H

고체산화물 재생 연료전지

RFC의 한 예로 고체산화물 재생 연료전지가 있다. 고체산화물 연료전지는 연료 대 전기 전환 비율이 높은 고온에서 작동하며 고온 전기분해 가능성이 높다.[7] 고온으로 인해 고체산화물 재생연료전지(SORFC)에서 전기분해 공정에 필요한 전기가 줄어든다.

전해질은 O2− 전도 및/또는 양성자(H+) 전도일 수 있다. Ni-YSZ를 수소 전극으로, LSM(또는 LSM-YSZ)을 산소 전극으로 사용하여 O를2− 전도하는 이트리아(Yttria) 기반의 SORFC를 안정화시키는 기술(YSZ)의 상태가 적극적으로 연구되었다.[7] Dönitz와 Erdle은 전류 밀도가 0.3 Acm이고−2 파라데이 효율이 1.07V에 불과한 YSZ 전해질 세포의 작동에 대해 보고했다.[8] 스웨덴 연구진의 최근 연구는 양성자와 산화물 이온 도관이 모두 존재하는 세라믹 기반 복합 전해질이 연료전지 작동을 위한 고전류 출력과 전기분해 작동을 위한 고수소 출력을 발생시킨다는 것을 보여준다.[9] 스칸디아와 세리아(10Sc1CeSZ)를 도핑한 지르코니아도 중온(500~750°C)에서 수소 생산을 위한 SORFC의 잠재적 전해질로 조사된다. 10Sc1CeSZ는 동작이 양호하며 적절한 전극과 함께 높은 전류 밀도를 생성하는 것으로 보고되었다.[10]

전류 밀도-전압(j–V) 곡선 및 임피던스 스펙트럼을 조사하고 기록한다. 30kHz~10Hz 주파수 범위에서 1-2A−1 RMS(root-mean-square)의 AC 전류를 적용하여 임피던스 스펙트럼을 실현한다. 임피던스 스펙트럼은 저주파수(<10kHz)에서는 저항이 높고 고주파수(>10kHz)에서는 0에 가깝다는 것을 보여준다.[11] 고주파수는 전해질 활동에 해당하는 반면, 저주파수는 전극 공정에 해당하기 때문에 전체 저항의 극히 일부만이 전해질로부터 나오고 대부분의 저항은 양극과 음극에서 나온다고 추론할 수 있다. 따라서 고효율 SORFC에는 고성능 전극을 개발하는 것이 필수적이다. 영역별 저항은 j-V 곡선의 기울기에서 얻을 수 있다. 일반적으로 사용/테스트되는 전극 물질은 SORFC 음극용 니켈/지르코니아 세메트(Ni/YSZ)와 란타넘 대체 스트론튬 타이탄산염/케리아 복합체, 그리고 SORFC 양극용 란타넘 망가나니이트(LSM)이다. 다른 양극 물질은 란타넘 스트론튬 페라이트(LSF), 란타넘 스트론튬 구리 페라이트 및 란타넘 스트론튬 코발트 페라이트일 수 있다. 연구에 따르면 Ni/YSZ 전극은 연료전지 작동에 비해 역연료전지 작동에 활성이 낮았으며, 이는 전기분해 방향의 확산제한 공정이나 주로 니켈 입자의 응고현상에 의한 고강도의 노화에 대한 민감성 때문으로 볼 수 있다.[12] 따라서, 타이타나이트/케리아 복합재(La0.35Sr0.65TiO3–Ce0)와 같은 대체 재료.5La0.5O2 Δ)또는 (La0.75Sr0.25)0.95Mn0.5Cr0.5O3(LSCM)이 전기분해 음극으로 제안되었다. LSF와 LSM/YSZ 모두 전기분해 모드의 좋은 양극 후보로 보고된다.[13] 또한 작동 온도가 높아지고 절대 습도비가 높아지면 영역별 저항이 낮아질 수 있다.[14]

참고 항목

참조

  1. ^ "Reversible fuel cell learning kit". Ecosoul.org. Archived from the original on May 11, 2008. Retrieved 2009-09-24.
  2. ^ "2001-High pressure electrolysis – The key technology for efficient H.2" (PDF). Retrieved 2009-09-24.[영구적 데드링크]
  3. ^ "Microsoft Word - E-14264 Layout.doc" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2009-06-29. Retrieved 2009-09-24.
  4. ^ "Electrolyzer and Reversible Fuel Cell". Nfcrc.uci.edu. Archived from the original on 2009-06-18. Retrieved 2009-09-24.
  5. ^ "Proton Exchange Membrane- based Electrochemical Hygrogen Generator". European Commission. 2005-10-01. Retrieved 2021-10-18.
  6. ^ "Hydrogen-oxygen PEM regenerative fuel cell" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2011-03-03. Retrieved 2009-09-24.
  7. ^ a b Laguna-Bercero, M. A.; Campana, R.; Larrea, A.; Kilner, J. A.; Orera, V. M. (30 July 2010). "Performance and Aging ofMicrotubular YSZ-based Solid Oxide Regenerative Fuel Cells" (PDF). Fuel Cells. 11: 116–123. doi:10.1002/fuce.201000069. hdl:10261/53668.
  8. ^ Dönitz, W.; Erdle, E. (1985). "High-temperature electrolysis of water vapor—status of development and perspectives for application". International Journal of Hydrogen Energy. 10 (5): 291–295. doi:10.1016/0360-3199(85)90181-8.
  9. ^ zhu, Bin; Ingvar Albinsson; Camilla Andersson; Karin Borsand; Monika Nilsson; Bengt-Erik Mellander (20 February 2006). "Electrolysis studies based on ceria-based composites". Electrochemistry Communications. 8 (3): 495–498. doi:10.1016/j.elecom.2006.01.011.
  10. ^ Laguna-Bercero, M.A; S.J. Skinnera; J.A. Kilner (1 July 2009). "Performance of solid oxide electrolysis cells based on scandia stabilised zirconia" (PDF). Journal of Power Sources. 192 (1): 126–131. Bibcode:2009JPS...192..126L. doi:10.1016/j.jpowsour.2008.12.139. hdl:10044/1/13889.
  11. ^ Brisse, Annabelle; Josef Schefold; Mohsine Zahida (October 2008). "High temperature water electrolysis in solid oxide cells". International Journal of Hydrogen Energy. 33 (20): 5375–5382. doi:10.1016/j.ijhydene.2008.07.120.
  12. ^ Marina, O. A.; Pederson, L. R.; Williams, M. C.; Coffey, G. W.; Meinhardt, K. D.; Nguyen, C. D.; Thomsen, E. C. (22 March 2007). "Electrode Performance in Reversible Solid Oxide Fuel Cells" (PDF). Journal of the Electrochemical Society. 154 (5): B452. doi:10.1149/1.2710209.
  13. ^ Laguna-Bercero, M.A.; J.A. Kilner; S.J. Skinner (2011). "Development of oxygen electrodes for reversible solid oxide fuel cells with scandia stabilized zirconia electrolytes". Solid State Ionics. 192: 501–504. doi:10.1016/j.ssi.2010.01.003.
  14. ^ Hauch, A.; S. H. Jensen; S. Ramousse; M. Mogensen (18 July 2006). "Performance and Durability of Solid Oxide Electrolysis Cells". Journal of the Electrochemical Society. 153 (9): A1741. doi:10.1149/1.2216562.

외부 링크