One of the major advantages of solid oxide fuel cell (SOFC) is that it can generate electricity from any kinds of combustible fuels such as hydrocarbons and carbon monoxide. Considering cost and convenience of production, transport and storage, hydrocarbon seems to be promising choice for SOFC. If hydrocarbon is only supplied to the SOFC anode, it can cause significant carbon formation followed by performance deterioration in the anode. Therefore, water, oxygen and carbon dioxide are fed additionally to the fuel stream to suppress carbon formation inside of the anode. However, carbon deposition can occur even in the operating condition where carbon formation is thermodynamically unfavorable.
In this work, SOFC operations under various lower hydrocarbons were comprehensively studied by experiments and simulations. Current-voltage performances and impedance characteristics of the widely used Ni-YSZ anode based SOFC single cell have been investigated under the supply of the gaseous mixture of steam and hydrocarbon such as methane, ethylene and butane. When methane and butane were used as fuels, power generation performances were similar to hydrogen-driven SOFC. However, the severe voltage drop was observed in a high current density region in the case of ethylene, because the amount of hydrogen and carbon monoxide produced from ethylene was not high enough for the fuel oxidation reaction with high current density. To investigate the performance change by carbon deposition, the change of irreversible losses was investigated for direct methane-fueled SOFC where carbon formation is thermodynamically favorable in short period. Activation loss and mass transport loss were not increased significantly against expectations. The reason is that the deposited carbon can be removed by oxygen ion from cathode when current is drawn, even though carbon is deposited in electrochemically active area. Also, the decrease of the porosity of the anode by carbon formation can be offset by increase of the total volume of the anode by infiltration of carbon into Ni-Ni structure. Ohmic loss was decreased because contact electrical resistance between the anode and the current collector was decreased by carbon deposited on the surface of anode. On the other hand, bulk electrical resistance of the anode was increased by carbon formation inside of the anode. If carbon formation continues long, the Ni-YSZ based anode will be carbonized and cannot act as an electrode. Also, carbon deposition inside of the fuel channel leads to an increase of pressure drop and discontinuation of the gas feeding. Therefore, the power generation performance of SOFC will be deteriorated finally.
Throughout this process, the fundamental framework for understanding hydrocarbon fueled SOFC has been established. These research results can be utilized to determine design parameters such as material and microstructure for an alternative anode and operating condition for the hydrocarbon- fueled SOFC system.
고온에서 운전되는 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 이론적으로 연소 가능한 모든 물질을 연료로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 탄화수소는 현 시점에서 생산, 운반, 저장 측면에서 수소에 비해 비용이 적고 다루기 쉽기 때문에 SOFC의 연료로서 큰 기대를 받고 있다. 탄화수소만 SOFC에 공급할 경우 음극에 탄소가 침적되어 성능이 심각하게 저감된다. 그래서 물, 산소, 이산화탄소를 추가적으로 공급하여 SOFC 음극 내부에 탄소가 열역학적으로 생기지 않도록 한다. 하지만 이러한 운전 조건에서도 일반적으로 널리 쓰는 Ni-YSZ 음극에서는 탄소 침적이 발생하기 때문에 SOFC 성능 저감 현상을 발생 시키고 장기적으로 내구성이 크게 악화된다.
이번 연구에서는 Ni-YSZ 음극 SOFC 단전지에 다양한 저 탄화수소를 수증기와 함께 공급하는 상황에서 전류-전압 특성을 알아보았다. 메탄과 부탄을 연료로 사용했을 경우 수소를 공급했을 때와 비교해서 출력 성능은 비슷하였지만, 에틸렌을 연료로 사용했을 경우 고 전류영역에서 심각한 전압 강하가 관찰되었다. 탄소 침적에 의한 SOFC의 성능 변화를 알아보기 위해서 SOFC에 수증기 없이 메탄만 공급하였고 이 때 비가역적 손실의 변화를 단기적으로 살펴보았다. 실험 결과 탄소 침적에 의해서 SOFC의 활성화 손실(Activation loss)과 물질 전달 손실(Mass transport loss)이 기존 생각과는 달리 크게 증가하지 않았다. 그 이유는 전기 화학 반응이 일어나는 활성점에 탄소가 쌓이더라도 전류가 흐르는 상황에서는 공기극으로부터 넘어오는 산소 이온에 의해 제거될 수 있고, 탄소 침적에 의한 전체적인 부피 증가가 기공 내부에 쌓인 탄소 침적에 의한 기공률 감소를 상쇄시켜주었기 때문이다. 오믹 손실(Ohmic loss)도 감소하였는데 그 이유는 탄소 침적으로 인해 음극 내부의 전기 저항은 증가하였지만, 표면에 쌓인 탄소로 인해 집전 저항이 크게 감소되기 때문이다. 그러나 장기적으로 탄소 침적이 진행된다면 음극이 탄화(Carbonization)되기 때문에 전극으로서 기능을 할 수 없고, 가스 공급라인이 탄소에 의해 막히기 때문에 SOFC의 성능이 감소될 것으로 예상된다. 이 연구 결과는 기존 Ni-YSZ 음극을 대체하여 탄화수소 연료 사용 시 탄소 침적에 저항성을 갖고 있는 새로운 음극 개발에 필요한 인자(물질, 세부 구조, 운전 조건)를 선정하는데 활용될 것이다.
