재생 연료 전지

재생 연료 전지() 또는 역 연료 전지(, RFC)는 전기와 화학 물질 B를 소비하여 화학 물질 A를 생산하는 역방향으로 작동하는 연료전지이다. 정의에 따르면, 모든 연료 전지의 과정은 역전될 수 있다. 그러나 특정 장치는 일반적으로 한 가지 모드에서 작동하도록 최적화되어 있으며 역방향으로 작동할 수 있도록 제작되지 않을 수 있다. 역방향으로 작동하는 표준 연료 전지는 고압 전해조, 재생 연료 전지, 고체 산화물 전해조 전지 및 일체형 재생 연료 전지와 같이 목적에 맞게 제작되지 않는 한 일반적으로 매우 효율적인 시스템을 만들지 못한다.

 과정 설명 
예를 들어, 수소 연료 고분자 전해질 연료 전지는 수소 기체 (H2)와 산소 (O2)를 사용하여 전기와 물 (H2O)을 생산한다. 재생 수소 연료 전지는 전기와 물을 사용하여 수소와 산소를 생산한다.

연료 전지가 재생 모드로 작동될 때, 전기 생산 모드(연료 전지 모드)의 양극은 수소 생성 모드(역 연료 전지 모드)에서 음극이 되고 그 반대도 마찬가지이다. 외부 전압이 가해지면 양극 측의 물은 전기 분해를 거쳐 산소와 양성자를 형성한다. 양성자는 고체 전해질을 통해 음극으로 운반되어 수소를 형성하기 위해 환원될 수 있다. 이 역방향 모드에서 전지의 극성은 연료 전지 모드의 극성과 반대이다.
다음 반응은 수소 생성 모드에서의 화학 과정을 설명한다.

양극 (물이 산화되는 곳): H2O→1/2O2 + 2H+ + 2e−

음극 (수소가 생성되는 곳): 2H+ + 2e−→ H2

전체적으로 반응은 다음과 같이 요약될 수 있다: H2O→ 1/2O2 + H2

 고체 산화물 재생 연료 전지 
RFC의 한 예는 고체 산화물 재생 연료 전지이다. 고체 산화물 연료 전지는 높은 온도에서 높은 연료-전기 변환율로 작동하며 고온 전기 분해의 좋은 후보이다. 고온으로 인해 고체 산화물 재생 연료 전지(SORFC)의 전기 분해 과정에 필요한 전력이 적다.

전해질은 O2− 전도성 및 양성자(H+) 전도성일 수 있다. Ni-YSZ를 수소 전극으로, LSM(또는 LSM-YSZ)을 산소 전극으로 사용하는 O2− 전도성 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 기반 SORFC의 최신 기술이 활발히 연구되었다. 된니츠(Dönitz)와 에르들(Erdle)은 0.3 A cm−2의 전류 밀도와 1.07 V에서 100% 패러데이 효율로 YSZ 전해질 셀의 작동을 보고했다. 스웨덴 연구진의 최근 연구에 따르면 양성자 및 산화물 이온 전도가 모두 존재하는 세리아 기반 복합 전해질은 연료 전지 작동을 위한 높은 전류 출력과 전기 분해 작동을 위한 높은 수소 출력을 생성한다. 스칸듐과 세리아가 도핑된 지르코니아(10Sc1CeSZ)도 중간 온도(500-750 °C)에서의 수소 생성을 위한 SORFC의 잠재적 전해질로 연구되고 있다. 10Sc1CeSZ는 적합한 전극과 함께 좋은 거동을 보이며 높은 전류 밀도를 생성한다고 보고되었다.

전류 밀도-전압 () 곡선과 임피던스 스펙트럼이 조사 및 기록되었다. 임피던스 스펙트럼은 30 kHz ~ 10−1 Hz 주파수 범위에서 1–2A RMS(제곱평균제곱근)의 AC 전류를 인가하여 얻어진다. 임피던스 스펙트럼은 저주파수(<10 kHz)에서 저항이 높고 고주파수(>10 kHz)에서 거의 0임을 보여준다. 고주파수는 전해질 활성에 해당하고 저주파수는 전극 과정에 해당하므로, 전체 저항 중 전해질에서 발생하는 부분은 작고 대부분의 저항은 양극과 음극에서 발생한다는 것을 추론할 수 있다. 따라서 고효율 SORFC를 위해서는 고성능 전극 개발이 필수적이다. 면적 비저항은  곡선의 기울기로부터 얻을 수 있다. 일반적으로 사용/테스트되는 전극 재료는 SORFC 음극의 경우 니켈/지르코니아 서멧(Ni/YSZ) 및 란타넘 치환 스트론튬 티탄산염/세리아 복합체이며, SORFC 양극의 경우 란타넘 스트론튬 망간산염(LSM)이다. 다른 양극 재료로는 란타넘 스트론튬 페라이트(LSF), 란타넘 스트론튬 구리 페라이트 및 란타넘 스트론튬 코발트 페라이트가 있다. 연구에 따르면 Ni/YSZ 전극은 연료 전지 작동보다 역 연료 전지 작동에서 덜 활성이었으며, 이는 전기 분해 방향에서의 확산 제한 과정 또는 고증기 환경에서 노화에 대한 취약성, 주로 니켈 입자의 조대화 때문으로 설명될 수 있다. 따라서 티탄산염/세리아 복합체(La0.35Sr0.65TiO3–Ce0.5La0.5O2−δ) 또는 (La0.75Sr0.25)0.95Mn0.5Cr0.5O3 (LSCM)와 같은 대체 재료가 전기 분해 음극으로 제안되었다. LSF와 LSM/YSZ는 모두 전기 분해 모드에서 좋은 양극 후보로 보고되었다.
또한, 높은 작동 온도와 높은 절대 습도 비율은 낮은 면적 비저항을 초래할 수 있다.

 같이 보기 
 연료전지 용어집
 수소 기술
 흐름 전지

 각주 

 외부 링크 
 2005– PEM regenerative fuel cell energy storage system
 Data sheet Model Car with a reversible fuel cell(PDF)
 Compact Fuel Cell with Interleaved Electrolysis Layers

분류:연료전지