직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 10. 15. 09:25 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)

 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)는 메탄올을 직접, 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템이다. 전해질은 이온 교환막에 인산을 담지 시킨 것이다. 작동 온도는 150로 비교적 저온이다. PEFC와 비교하여 개질기를 제거할 수 있으며, 시스템의 간소화와 부하 응답성의 향상이 도모될 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 반응 속도가 낮은 것에 의한 저출력 밀도, 다랑의 백금 촉매의 사용과 메탄올과 산화제의 Cross Over(고체 고분자막을 통과하는 것) 등의 단점도 있다.

직접 메탄올 연료전지(DMFC)

 직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양쪽에 각각 음극과 양극이 위치한다. 음극에서는 메탄올과 물이 반응하여 수소 이온과 전자를 생성한다. 생성된 수소이온은 전해질 막을 통해 양극 쪽으로 이동하고, 양극에서는 수소 이온과 전자가 산소와 결합하여 물을 생성 시킨다. 이 때 전자가 외부 회로를 통과하면서 전류를 발생시키는 것이 작동 원리이다.

 실제 사용시에는 출력을 높이기 위해 이러한 단위전지를 여러 개 묶어서 스택을 만들어 사용하는데, 일반적인 연료전지의 스택에서는 양극판(bipolar plate)을 사용하지만 마이크로 연료전지에서는 단극판(monopolar plate)을 사용한다. DMFC는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 똑 같은 구성요소를 사용하지만, 메타올을 개질하여 수소로 만들 필요가 없어 직접 연료로 사용할 수 있기 때문에 소형화가 가능하다. DMFC PEMFC에 비해 출력밀도는 낮지만, 연료의 공급이 용이하고 2차 전지에 비해 높은 출력밀도를 각지 때문에 자동차의 동력원으로서 2차 전지를 대체할 수 있는 가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있다.

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고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)

 수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단하다. 또한 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템이다. 이와 같이 PEMFC는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용 범위가 매우 다양하다.

 PEMFC에 대한 연구는 1955년 미국의 GE에서 처음으로 시작되어 1962년에 이미 1KW PEMFC 스택 2개로 이루어진 모듈을 Gemini 우주선 3호부터 12호에 사용하였다. 이후로 PEMFC를 연료전지자동차 등 민간용으로 응용하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다.

 대기오염의 주원인인 내연기관 차량을 대체할 수 있는 무공해 자동차로는 원래 배터리를 동력원으로 하는 전기자동차가 각광을 박고 있었다. 그러나 배터리를 전기자동차 동력원으로 사용할 겨우 충전 시 많은 시간을 요구하고, 에너지 밀도가 낮아 주행거리가 짧으며 배터리의 수명이 짧은 문제점이 있다. 또한 전기자동차가 상용화 되면 많은 전기 충전소의 설치가 필요하며 여기서 사용되는 전기는 대규모 발전소에서 공급되므로 결국 오염원의 이동에 불과하다고 볼 수 있다. 따라서 전기자동차 동력원으로서의 배터리에 대한 단점을 보완하기 위하여, 연료전지 구동방식 또는 배터리와 연료전지를 동시에 사용하는 혼합형(hybrid) 자동차를 구성하는 방법이 최근에 출시되고 있다.

고분자 전해질 연료전지

 우리나라에서는 1990년대부터 대학을 중심으로 단위 전지에 대한 기초연구를 시작하였으며, KIST 연료전지연구센터에서도 1996년부터 고분자전해질 연료전지 원천기술을 개발을 시작한 후 2000 5KW급 스택을 제작하여 연료전지/배터리 하이브리드 골프 카트에 적용한 적이 있다.

고분자 전해질형 연료전지 특징

1. 고분자 막을 전해질로 사용

2. 촉매로 백금을 사용함으로써 비교적 고가

3. 저온에서 운전으로 사동성이 우수함.

4. 고체 막을 전해질로 사용함으로써 취급이 용이함.

5. 주로 자동차, 가정용으로 개발 

 

 

 

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