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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고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 10. 14. 08:13 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

개요

 3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물로 전해질로 사용하는 연료전지로써, 1937년에 Bauer Preis에 의해 처음으로 작동되었다.

 고체산화물형 연료전지의 특징은 탄화수소를 직접 전기 변환시킬 수 있는데 있다. 전해질은 안정화된 산화이트늄으로 가스가 스며들지 않은 산 이온이 효율적으로 접촉하고 있는 얇은 산화지르코늄 층이다. Cathode는 안정된 산화이트늄으로 된 지르코늄으로 만들어졌고, anode는 니켈-지르코늄 세라믹 합금으로 만들어졌다.

고체산화물 연료전지 원리

고체산화물 연료전지 전해질

 전해질로서 신소재인 지르코니아(ZrO2)가 사용되며 작동온도가 700~1000로서 매우 고온에서 작동된다. Pt 촉매 없이 반응의 가속화가 가능하며 재료의 부식 및 전해질의 손실, 보충에 대한 문제가 없다. 전지 구성요소가 모두 고체이므로 다양한 형태의 제작이 가능하다.

현재까지 개발된 고체산화물 연료전지의 형태는 다음과 같다.

 SOFC는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700~1000)에서 작동한다. 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요 없으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 가능하다. 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 있다. 이런 장점 때문에 SOFC에 관해 여러 선진국들의 연구가 활발히 이루어지고 있다.

 일반적인 SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극) 및 연료극(음극)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되면, 이 때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리이다.

고체산화물 연료전지 과제

고체산화물형 연료전지의 가장 큰 특징은 운전 온도가 약 1000로써 매우 높다는 것이다. 이 온도에서는 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화 반응이 일어나고 촉매 없이 연료가 개질된다. 운전 온도 1000에서 금속 재료의 적당한 열적-기계적 강도를 요구하기 때문에 가스 누출 방지가 가장 중요한 과제이다. 세라믹 재료 기술의 개발은 고체산화물형 연료전지가 상업적으로 발전을 시작하기 전에 필요한 기술이다. 고체산화물형 연료전지는 상업적으로 자동차 응용에 연구되어 지고 있다 자동차에 사용하기 위한 이 전지 기술의 모형화가 전지전원 공급형 자동차가 아닌 전위밀도를 요구한 것과 접목시키는 것이 궁극적인 목적이다.

 SOFC의 특징은 다음과 같다.

1. 탄화수소를 직접 연료로 사용, CO로부터 안전함

2. 운전 온도는 약 5000~1000로로 열병합 발전 가능

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용융탄산염 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 10. 13. 00:02 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

용융탄산염 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)

용융탄산형 연료전지 장점

 보통 제2세대 연료전지로 불리는 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 다른 형태의 연료전지와 마찬가지로 높은 열효율, 높은 친환경성, 모듈화 특성 및 작은 설치공간이라는 장점을 갖는다. 한편, 650의 고온에서 운전되기 때문에 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 추가적인 장점들을 가지고 있다.

용융탄산 연료전지 전해질

 전해질은 용융탄산염이 사용되고, 고온에서 운전되기 때문에 백금 대신 저렴한 니켈촉매가 사용되며 백금 전극에서 피독물질로 사용되는 CO를 수성가스 전환반응을 통해 연료로 이용한다. 니켈촉매의 사용으로 비용절감의 장점이 있지만 고온에서의 부식성이 높은 용융탄산염을 사용하기 때문에 내식성 재료의 개발이 필요하며 장기 운전시에는 성능이 저하되기 때문에 단기 운전에 적합하다.

 고온에서의 빠른 전기화학반응은 전극 재료에 쓰이는 촉매로써 백금 대신 저렴한 니켈의 사용을 가능케 하여 경제적인 운영이 가능해 진다. 그리고 백금 전극을 이용할 경우 백금 성분에 독성 물질로 작용하는 일산화탄소마저도, 니켈 전극을 이용할 경우 수성가스 전환반응을 통하여 연료로 이용할 수 있게 된다.

 따라서 일산화탄소를 발생시킬 우려가 있어 백금을 사용하는 저온형 연료전지에는 사용하기 힘든 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스 등 다양한 연료를 용융탄산염 연료전지에는 이용할 수 있다. 또한 용융탄산염 연료전지의 높은 작동 온도는 연료전지 스택 내부에서 전기화학 반응과 연료개발 반응이 동시에 진행될 수 있게 하는 내부개질 형태를 허용한다. 이러한 내부개질형 용융탄산염 연료전지는 전기화학반응의 발열량을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하므로 외부개질형 용융탄산염 연료전지보다 전체 시스탬의 열효율이 추가로 증가하며, 시스템 구성이 간단해진다.

용융탄산염 연료전지 원리

용융탄산염 연료전지 전해질

 용융탄산염 연료전지의 전해질은 낮은 용융점을 가지는 탄화리튬과 탄화포타슘의 혼합물이다. 전극은 다공성 니켈로 만든다. 전극의 부식성과 내구성은 아직 개발에 중요한 문제점이다.

 용융탄산염형 기술의 산 또는 알카리 연료전지 기술 보다 뚜렷한 장점은 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소에 대하여 내성이 있는 점이다. 이것은 일산화탄소와 이산화탄소를 분리하는 공정을 필요로 하는 다른 것들보다 초기 투자비가 낮고 시스템 설계가 매우 단순해지는 결과를 가져온다. 용융탄산형 연료전지의 운전온도는 약 650이고, 전지 스택의 열로 전지내부의 탄화수소 기체의 개질을 허용한다. 내부 개질의 장점은 30% 또는 그 이상의 비용을 감소시킨다.

용융탄산염 과제

 용융탄산염 연료전지를 상업화하기 전에 내구성과 신뢰도를 증진 시킬 필요가 있다. 운전온도가 높은 정상운전 되는 동안 용융탄산염 전해질의 결핍과 증발로 인하여 양이 줄어들기 때문이다. 이것은 운전의 안정성과 현재 용융탄산염형 연료전지의 유효 수명의 제약점이다.

 그러나 MCFC는 고온에서 부식성이 높은 용융탄산염을 사용하기 위한 내식성 재료의 개발에 따르는 경제성 문제 및 수명, 신뢰성 확보 등 기술적 검증이 아직 끝나지 않아 본격적인 상업화는 2020년 이후에 가능할 것으로 예상된다.

 미국, 일본 등을 비롯한 선진 외국에서는 기초연구는 물론 시스템 데모에 이르는 개발연구에까지 적극적으로 투자하여 최근 급속도로 많은 발전이 이루어지고 있다. 국내에서도 한국 전력연구원을 중심으로 KIST, 한국중공업 및 여러 대학이 참여하여 용융탄산염 연료전지의 자체 기술을 확보하기 위한 개발 연구를 대체에너지 사업의 하나로 진행하고 있다.

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인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 10. 12. 00:10 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)

인산형 연료전지 개요

 인산형 연료전지(PAFC)는 액체 인산을 전해질로 이용하는 연료전지이다. 인산형 연료전지 기술은 20년 이상 개발되고 개선되어 왔고, 전기 생산에 필요한 순수한 수소(70% 이상)를 요구한다. 인산형 연료전지내의 전극은 탄소 지지체의 표면적 위에 촉매로서 백금이나 백금 혼합물을 포함한다. 전극은 카본지(carbon paper)로 이루어지는데, 백금 촉매를 이용하기 때문에 제작 단가가 비싸다. 그러나 카본지의 백금은 연료로서 공급되는 수소 가스 내에 포함되는 일산화탄소에 의해 손상되지는 않는다.

인산형 연료전지 원리

 수소와 산소의 반응이 일어나는 양극(anode)와 음극(cathode) 및 전해질인 인산을 함유하고 있는 매트릭스로 구성된다. 양극, 음극은 기체 확산층과 촉매층으로 구성되며 기체 확산층은 반응 기체를 촉매층의 전 면적에 고르게 분산시키고 촉매층은 활성 site에 분포한다. 다른 형태의 연료전지보다 상용화에 가장 근접해 있으며 발전효율이 비교적 높은 편이다. 그러나 고개의 백금 촉매를 대신할 새로운 촉매개발 문제가 과제이며 신뢰도 및 수명과 성능 향상을 위한 개발도 필요하다.

인산형 연료전지 원리

 인산형 연료전지의 운전 온도는 약 200이다. 이것은 인산 전해질의 안정도를 위하여 허용하는 최대값이다. 이 기술로 현재까지 순수한 발전 효율은 40~50% 정도이다. 이 수준보다 높은 효율을 갖기 위해서는 전지와 스택 구성품의 지속적인 개발에 의한 종합시스템 제어에 의존해야 한다. 일례로 인산형 연료전지의 반응이 발열 반응이므로 연료전지가 반응온도인 200로 유지함이 최적의 운전 조건이 된다. 따라서 연료전지 반등 시 반응열을 냉각시켜야 하며 이때 생성되는 반응열을 이용하면 효율을 80% 이상 높을 수 있다.

인산형 연료전지 전해질

 인산은 저온 연료전지를 위한 전해질로서 필요한 수명을 가진 유일한 물질이다. 이것은 낮은 이온 전도율을 가지고 있다 할지라도 이것의 안정도는 전류 상태를 증진시키는 전지 개발에 기여하였다. 인산형 연료전지 응용은 휴대용, 자동차용 및 고정용 전원을 포함한다.

 한편, 액체 인산은 40에서 응고되어 버리기 때문에 시동이 어려우며, 지속적인 운전 또한 제약이 따른다. 그러나 150~200의 운전온도에 이르면 반응 결과물로 생성되는 물을 증기로 바꾸어 공기나 물의 가열에 이용할 수 있게 된다. 이렇게 발생되는 열과 전력을 합했을 때 전체 효율은 80%에 이르며, 고정형 연료전지 시장에서 성장하고 있다.

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알카리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC)

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 10. 10. 21:32 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

알카리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC)

알카리 연료전지 개요

 알카리 연료전지는 수산화칼륨과 같은 알카리계를 사용한다. 연료로서 순수 수소를 쓰면, 산화제로서는 순수 산소를 쓴다. 운전 온도는 대기압에서 60~120이다. 양극(Anode)의 촉매는 니켈망에 은을 입힌 것 위에 백금-납을 사용하고, 음극(Cathode)는 니켈망에 금을 입힌 것 위에 금-백금을 쓴다. 알카리 연료 전지의 고효율화의 목표는 자동차 산업의 전원 공급용이다. 알카리 연료전지는 알카리가 이산화탄소에 민감하기 때문에 인산형 연료전지의 개발보다 늦게 개발되었다.

알카리 연료전지(Alkali Fuel Cell)

알카리 연료 전지 상용화

알카리 연료전지 시스템에서의 수소의 저장과 이산화탄소의 효과적인 제거는 알카리 연료전지의 상업화에 가장 중요한 요소이다. 자동차에 적용할 경우 연료 전지가 확보할 수 있는 시장 비율은 경제성 기술에 의하여 영향을 받을 것이다. 알카리 연료전지 기술 전망은 수소 저장과 대규모 상화를 시작하기 전에 유통망의 구축을 필요로 한다.

적용 역사

알카리형 연료전지는 일반 민생용은 아니지만 순수소, 순산소를 원료로 발전하는 우주선의 전원용으로 사용된다.

 1962년에는 우주 및 군사용으로 연구가 시작되어 적용 되었고, 현재는 인산형 연료전지(Acid Fuel Cell)의 개발로 인하여 특수 분야에서만 연구 수행 중이며, 국내의 경우 기초 연구가 진행 중에 있다.

 알카리 연료전지의 특징

1. 전해질로 진한(85%) KOH을 사용하는 고온용(205)과 묽은(35~50%) KOH를 사용하는 저온용(120)가 있다.

2. 전해질은 매트릭스(주로 석면)에 체류시켜 사용한다.

3. CO2에 취약하므로 순수한 수소와 산소를 사용

4. 반응속도를 촉진시키기 위해 주로 고압에서 운전

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연료 전지(수소차)의 종류

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 9. 29. 07:45 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

연료 전지의 종류

 연료전지는 온도에 따라, 연료의 종류에 따라 그리고 사용하는 전해질의 종류에 따라 각각 구분이 가능하다. 그러나 이온이 전해질을 통과하고 교환으로 전극 사이에 전기가 흐른다는 근본 원리는 모두 같다.

1] 작동 온도에 따른 구분

연료전지는 고온형과 저온형으로 나누어지고 이들은 다시 두 가지 유형으로 나눌 수 있다.

1) 저온

 저온형은 일상 생활 현장에서 활용된다. 저온형은 고온형 연료전지에 비해 훨씬 저온(섭씨 200도 이하)에서 작동된다. 저온형의 공통 장점은 사동이 단시간에 된다는 것과 크기를 적게 할 수 있다는 점이다. 그러나 고가의 백금 전극이 필요해서 장비 비용이 높은 것이 단점이다.

 인산형 연료전지(PAFC)는 섭씨 200도 정도에서 작동한다. 전해질에는 인산 수용액을 쓴다. 1967년에 개발이 시작되고 1980년대부터 미국과 일본을 중심으로 호텔이나 병원 등에 도입되었다. 연료전지의 네 가지 유형 중에서 가장 먼저 상품화 되었다.

 고체 고분자형 연료전지(PEFC)는 섭씨 100도 미만이라는 상온에 가까운 온도에서 작동한다.

 전해질에는 수용액이 아니라 수지로 만든 얇은 막을 사용한다. 그 결과 장비 전체를 얇게 할 수 있기 때문에 소형에 적합하다. 제미니 우주선에 실린 것도 이 유형의 연료전지다. 자동차에서 가정용, 휴대전화 등에 이동기기에 이르기까지 용도가 넓어 가장 활발히 연구되고 있다.

2) 고온

 고온형의 연료전지에는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC)와 고체 산화물형 연료전지(SOFC)의 두 가지 유형이 있다. 고온형의 연료전지는 섭씨 500~1,000도의 고온에서 작동한다. 고온이 되면 화학반응의 속도가 빨라지고 특히 촉매가 필요 없게 된다. 그래서 고가인 백금을 사용하지 않아도 되는 것이 장점의 하나이다. 고온의 배출열도 활용할 수 있다.

 또 고온인 연료전지의 내부에서 천연 가스 등의 연료가 수소로 전환되는 과정(개질)이 진행되므로 이들 연료를 수소 대신 쓸 수도 있다. 발전효율이 높고 고출력이 가능하므로 대형 건물의 발전장치나 수소 대신 쓸 수도 있다. 발전효율이 높고 고출력이 가능하므로 대형 건물의 발전장치나 대규모 발전소 등에 알맞다. 그러나 워밍업을 위한 시동에 시간이 걸리는 단점이 있다.

 용융 탄산염형 연료전지(SOFC)는 섭씨 1,000도 부근의 고온에서 작동한다. 전해질에는 고체인 세라믹을 쓴다. MCFC와 마찬가지로 대규모 발전소 등에서의 이용이 기대된다. 더욱이 작동 온도를 내리는 기술 개발이 이루어지면 가정용 전원으로도 쓸 수 있는 것으로 예상된다.

 

2] 연료의 종류에 따라 구분

1) 기체 연료

 연료전지의 보편적인 연료로써 사용되며, 수소, 탄화수소, CO(석탄가스화)등이 있다.

2) 액체 연료

 부산물이 생성되어 이에 대한 부산물의 처리 문제가 발생하지만 환경 오염율은 고체연료에 비해 거의 없다. Alcohol, Aldehyde, 히드라진(N2H4), 석유계 탄화수소가 사용된다.

3) 고체 연료

 고체 연료는 화학 연소반응이 환경오염에 심각한 영향을 미치는 부산물을 생성하여 이에 대한 처리 문제가 발생하지만 연료전지 구현이 비교적 간단한 편이라 비용 절감을 기대 할 수 있다. 석탄, 목탄, 코크스 등이 있다.

3] 전해액에 따른 구분

 연료전지의 가장 보편적인 구분 방법으로 연료전지에 사용되는 전해액에 따른 구분이다. 알카리 연료전지(AFC), 인산 연료전지(PAFC), 용융 탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 등이 있으며 이들 전해액에서 연료전지 구분은 표와 같다.

1. 연료전지의 전해액에 따른 구분

 

알카리

(AFC)

인산형

(PAFC)

용융탄산염형

(MCFC)

고체산화물형

(SOFC)

고분자전해질형

(PEMFC)

직접메탄올

(DMFC)

전해질

알카리

인산염

탄산염

세라믹

이온교환막

이온교환막

동작온도()

100이하

220이하

650이하

1,200이하

80이하

80이하

효율(%)

85

70

80

85

75

40

용도

특수용

중형건물

(200W)

중대형건물

(100KW~MW)

소형대용량발전(1KW~MW)

가정상업용

(1~10KW)

소형이동

(1KW이하)

 

우주선,잠수함

분산형 열병합 수송용

열병합,

대형발전소

열병합,

대형발전소

수소용,

분산형

수송용,

분산형

선진수준

 

200KW

MW 이상

Mw 이상

1~10 KW

보급중

500W

국내수준

-

50KW

250KW

1KW

3KW

50KW

* AFC(Alkaline Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid FC), MCFC(Molten Carbonate), SOFC(Solid Oxide),

PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane), DMFC(Direct Methanol) à 순서대로 기술발전 단계

전해액에 따른 연료전지 구분

 고분자 전해질(PEMFC), 인산형(PAFC), 용융탄산염(MCFC), 고체산화물 전해질(SOFC) 등으로 나누어진다. PEMFC는 수소이온(proton)의 전달체인 고분자 전해질이 핵심 소재이며, 다음과 같은 물성을 지녀야 한다.

이온 전도성이 커야 한다.

② 전자 전도성이 없어야 한다.

③ 가스 투과가 없어야 한다.

④ 건조 상태에서도 유연성을 유지하고 있어야 한다.

⑤ 적절하나 두께, 편평도를 유지해야 한다.

⑥ 형상 안정성과 기계적 강도가 있어야 한다.

⑦ 열과 가수분해, 산화환원 반응에 대한 안정성이 있어야 한다.

 

2. 연료 전지 구성 물질

구 분

특 성

촉 매

운전온도

알카리형(AFC)

수산화칼륨(액체)

Platinum on carbon

80

인산형(PAFC)

인산(액체)

Platinum on PTFE/cabon

200

용융탄산염형(MCFC)

Lithium or potassium carbonate(액체)

니켈 또는 니켈 화합물

650

고체산화물형(SOFC)

Yttrid-stabilized zirconia(고체)

니켈/Zirconia cermet

1000

고분자전해질형

나피온 Dow 폴리머

Platinum on carbon

85~100

직접메탄올형(DMFC)

Polymer Membrane

Pt-Ru or Pt/C

25~130

3. 연료전지 발전 현황

구분

특성

알카리형(AFC, Alkaline Fuel Cell)

-1960년 군사용(우주선: 아폴로 11)으로 개발

-순수소 및 순산소를 사용

인산형(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell)

-1970년대 민간차원에서 처음으로 기술개발 된 1세대 연료전지로 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 이용

-현재 가장 앞선 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있음

용융탄산염형(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)

1980년대에 기술개발 된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지, 대형건물의 분산형 전원으로 이용

-미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중

(250kW 상용화, 2 MW 실증)

고체산화물형(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)

-1980년대에 본격적으로 기술개발 된 3세대로서, MCFC보다 효율이 우수한 연료전지

-대형발전소, 아파트단지 및 대형건물의 분산형 전원으로 이용

-최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등의 연구를 진행

고분자전해질형(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane)

-1990년대에 기술개발 된 4세대 연료전지로 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용

-가장 활달하게 연구되는 분야이며, 실용화 및 상용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있음

직접메탄올형(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)

-1990년대 말부터 기술 개발된 연료전지로 이동용(핸드폰, 노트북 등) 전원으로 이용

-고분자 전해질형 연료전지와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야

 

 

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연료 전지의 개요

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 9. 25. 08:18 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

연료전지 개요

 연료전지 자동차는 수소를 연료로 사용하는데 아직은 수소 저장 및 운반 기술이 미흡하고, 충전소도 많지 않아서 상용화 되지 못하고 있다. 그럼에도 연구는 활발하게 이루어지고 있다.

 연료전지 전기자동차는 화학적 배터리 대신 작은 발전소에 비유할 수 있는 연료전지를 장착하고 다닌다. 원래 연료 전지는 우주선에 동력을 공급하기 위해 개발되었다. 수소와 산소는 로켓의 연료와 산화제로, 연료 전지에서 생기는 물은 승무원의 음료수로 고안된 것이다.

 환경친화적 특성을 가지면서 소용량에서도 발전효율이 높고 배열의 유효이용에 의해 종합 에너지 효율의 향상이 기대되는 연료전지는 새로운 에너지원이나 결국 천연가스를 연료로 사용하기 때문에 마지막에는 에너지 제로 하우스의 적용은 고려 대상이다.

 연료전지는 수소와 산소의 화학반응 에너지에서 발생한다. 이는 전기분해의 역반응을 이용하는 것이다. 물을 전기분해 할 때는 전도성을 높인 수용액에 전압을 가해 수소와 산소로 만든다. 반대로 연료전지에서는 수소와 산소를 화합해 물을 만들어내는 과정에서 전기를 생산하게 된다. 이때 백금촉매로 도포된 전해질막으로 수소와 산소를 격리해야 한다. 수소는 촉매의 작용으로 이온화하고, 수소에서 분리된 전자는 배선을 통과해 산소 쪽으로 흐른다. 배선의 중간에 모터를 놓으면 전력으로 이용할 수 있게 된다. 수소와 산소가 결합할 때는 저온을 유지하게 되고 60% 이상의 높은 효율을 얻을 수 있다. 최신 화력발전소 효율이 50% 정도라는 것을 감안하면 연료전지는 상당히 경제적인 동력이다. 전해질에 따라 연료전지는 몇 가지 종류로 나누어지는데 전지자동차는 주로 고분자막의 전해질이 사용될 가능성이 높다.

 

1) 연료 전지의 개발과정

연료전지의 역사는 의외로 길어 그 메커니즘의 발전은 의외로 오래 되었다. 연료전지를 처음 만들 사람은 19세기에 활동한 영국의 물리학자이자 화학자인 윌리엄 그로브(1811~1896)이다. 그 계기가 된 것은 물의 전기분해이다. 물의 전기분해란 물에 백금 전극을 넣고 전기를 통하면 물이 분해되어 수소 가스와 산소 가스가 발생하는 것이다. 지금은 중학교에서도 시행하고 있는 보편적 실험이다. 전기 분해는 1800년에 영국의 물리학자 니콜슨(1753~1815) 등에 발견된 이래 연구의 대상이 되고 있다.

 어느 날 물의 전기 분해 실험을 하던 그로브는 어떤 일을 깨닫게 되었다. 실험 장치의 전원을 끄면 전류가 역류하는 것이었다. 그는 이것을 보고 생각했다. ‘물에 전기를 흐르게 하면 수소와 산소로 분해된다. 그렇다면 수소와 산소를 합하면 전기를 발생시킬 수 있는 것이 아닌가?’

그로브는 곧바로 물의 전기 분해를 끝낸 상태의 실험 장치(이것이 연료전지의 원형이고, 시험관 안에 수소 가스와 산소 가스가 저장되어 있었다) 4개 준비해서 그것들을 직렬로 연결했다. 그리고 이들이 만들어 내는 전기를 써서 다른 장치에 들어 있는 물을 전기 분해해 보였다. 이것이 인류 최초의 연료전지의 실증 시험이다.

그는 이 결과를 논문으로 정리하고 전통 있는 영국의 과학잡지 <플로소피컬 매거진> 1839 2월호에 발표하였다. 그러나 그로브의 발명도 증기기관에 가려 별로 빛을 보지 못하고 100년 이상 잊어지고 있었다.

그로브의 발명으로부터 약 100년 뒤 마침내 연료전지의 실용화 연구하는 인물이 나타났다. 영국 케임브리지 대학교의 베이컨(1904~1992)이다. 1930년에 연구를 시작한 베이컨은 전해질로 알카리성인 수산화칼륨을 사용하는 연료전지를 개발하고 1952년에 특허를 얻었다. 이 유형의 연료전지는 알카리성 연료전지라고 불린다. 1959년에 5킬로와트의 출력을 가지는 연료전지를 완성했다.

한편 미국의 GE사도 1950년대에 연료전지를 개발했다. 전해질에 수지(고분자)로 만든 막을 쓴 GE사의 연료전지는 고체 고분자형 연료전지(PEFC)’라 불리는 유형이다. 출력은 1킬로와트이면서 알카리형 연료전지보다 작았다.

연료전지의 실용화는 우주에서 시작되었다. 1965 NASA의 유인 우주선 제미니 5호에 통신기기나 컴퓨터의 전원으로 GE사의 연료전지가 실린 것이다. 우주라는 한정된 공간에서는 더욱 작고 고출력의 전원 장치가 요구된다. 태양전지 등 여러 후보 가운데 NASA가 선택한 것은 연료전지이다. 부피당 발전량이 크고 연료전지의 부산물로 생기는 물을 승무원의 음료수로 이용할 수 있기 때문이다.

1969년에 인류 최초의 달에 착륙한 아폴로 11호도 연료전지를 싣고 있었다. 아폴로 우주선에 실린 것은 GE사의 것보다 출력이 높은 알카리형 연료전지였다. 영화(아폴로 13)에서도 묘사된 것처럼 1970년에 아폴로 13호가 운항 중에 가스 누출 사고로 전력을 절약해야 할 위기에 몰린 것도 수소와 산소로 발전하는 연료전지를 쓰고 있었기 때문이다.

열카리형 연료전지는 우주왕복선에도 실려 선내의 전기와 음료수를 공급하는 원천으로 활용된다. 단 알카리형 연료전지는 수소와 산소 모두 고 순도의 것을 사용할 필요가 있다는 점 등에서 우주 개발 이외의 분야에서는 거의 실용화 되지 않고 있다.

우주 개발 분야에서 성능과 청정성을 증명한 연료전지에 세계 기술자들의 시선이 집중되었다. 현재까지 많은 연구 개발 작업이 이루어지고 다양한 연료전지가 등장했다.

초기 연구를 통해 꾸준한 발전이 이루어져 1952 5kW급의 연료전지 발전소가 세워지게 되었고, 때마침 불어 닥친 우주개발 붐에 힘입어 우주선의 에너지원으로 개발되어 1960년대 초 Gemini 우주선에 탑재됨으로써 상업적인 이용을 목표로 한 연구가 시작되었다.

 1970년대의 유류 파동을 겪으면서, 그 동안 특수 상황에서 사용할 목적으로 개발, 연구되어 왔던 경우에서 벗어나 화력 발전을 대체할 대체 에너지원으로까지 주목 받게 되었다. 지상에서의 연료전지 실용화는 1970년대에 미국에서 시작되어 호텔이나 병원의 발전기로 도입되기 시작했다. 1994년에 다임러 벤츠사가 연료전지를 자동차를 출시하였다.

 독일의 다이뮤러 벤츠사는 계속해서 개발하고 있는데 모두 고압수소 봄베(bombe)에 수소를 충전하는 타입으로 차량도 대형차에 국한 되어 있다. 때문에 벤츠에서는 캐나다의 발라드 파워시스템과 공동으로 신형 연료전지를 개발하여 이것을 내장한 소형자동차의 실험차를 공개하였다. 실험자동차에서는 새로 개발한 메탄올에서 수소를 만드는 전환시스템도 도입하여 수소보다도 취급이 용이한 메탄올을 충전함으로써 편리성을 향상 시켰다.

 도요타 자동차 개발한 연료전지 자동차의 수소 저장에는 새로 개발된 수소흡장 합금을 채용하고 있으며 100 kg의 합금으로 2 kg( 2 5000리터)의 수소를 저장할 수 있게 되어 있다. 96년에 발매한 니켈수소전지 탑재 전기 자동차에 탑재한 시험제작 자동차는 정격출력 20 kW, 최고시속 100 km 이상, 1회 충전 주행거리 약 250 km를 달성하고 있다.

 지금은 대규모 및 소규모 발전시스템, 그리고 전기 자동차용 동력, 휴대용 전원으로까지 다양한 분야의 연구가 확장되고 있다.

 

1. 연료전지의 개발 과정

년 도

특 징

1839

William R. Grove(영국)  - 개념 발명

1959

F.T. Bacon(영국)  - 5 kW 수소/산소 연료전지 실증시험

1960년대

제미니 및 아폴로 계획에 Alkaline Fuel Cell(AFC) 적용 ->상업적 응용

1970년대

PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell) 개발

1980년대

PEMFC(Proton Exchange Mebrane Fuel Cell) 개발

1984년 이후

미국의 DOE(Department of Energy)에서 연료전지에 대한 연구자금 적극적 지원

1990년대

DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)개발, MCFC 발전개시, SOFC 발전소 개발

2012.12

연료전기 하이브리드 차량 출시(Toyota, Honda –리스형태 판매 개시)

2004~2005

휴대용 연료전지(PDA, Laptop, Cellular, Phone ) 출시 예정

2005

가정용 연료전지 출시

2012년 이후

연료전지 자동차 본격 보급 예정

2. 연료 전지의 개요 및 발생원리

 연료전지는 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 전기를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)이다. 종래의 전지와는 달리 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산한다. 간단하게 연료전지는 연료를 전지에 투입하면 전기나 열, 물을 생산하는 전지이다.

 연료전지란 수소와 산소로 물을 만들고 그 과정에서 전기를 생산하는 새로운 발전장치다. 이 원리는 중고등학교에서 배우는 무의 전기 분해의 역반응이다. 연료전지가 보급되면 유한한 화석연료에 의존하는 현대사회에서 무한한 수소를 이용하는 새로운 사회로의 변화가 일어난다.

 산업혁명 이후의 새로운 대변혁이 마침내 일어날지도 모른다. 연료전지는 우리의 생활을 크게 바꾼다. 그 미래의 모습은 이렇다. 휴대전화나 노트북 컴퓨터의 배터리가 연료전지로 바뀐다 생활에 필요한 모든 전력을 한 집에 1대씩 놓인 연료전지가 공급한다. 모든 자동차가 연료전지를 싣고 가격이 폭등하는 화석연료가 아닌 자연 에너지를 이용해 만들어지는 저가의 수소로 달린다.

 그러나 실제로 연료전지에서 전류가 흐르기 시작하면 연료가 공급되는 속도만큼 전지화학반응이 빠르지 않고 구성요소간의 저항이 있을 뿐 아니라 전극에서 연료나 산소의 농도 차이가 생기는 등 여러 요인에 의해 얻을 수 있는 전압이 이상적인 값보다는 낮다. 그래서 현 수준에서 실제효율이 40~50% 정도다. 그러나 이 효율도 화력발전이나 내연기관의 효율보다는 높은 값이다. 결국 연료전지는 기존의 화력발전보다 효율이 높고 질소화합물, 황화합물, 매연 등을 배출하지 않는다. 또한 회전부위가 없어 소음이 적고 모듈화가 가능해 다양한 용량으로의 건설과 증설이 쉽다. 이 밖에 수소, 석탄가스, 천연가스, 매립지 가스, 메탄올, 휘발유 등을 연료로 사용할 수 있으며, 전기에너지와 동시에 열리 발생하므로 폐열을 회수해 지역난방과 온수로 열병합발전도 가능한 다재 다능한 전지이다.

 

전기의 발생원리

 연료전지의 원리에 앞서 전지의 발생원리부터 살펴보도록 하자. 생활에 필요한 전기는 어떻게 얻어 질까? 현대 대부분의 전기는 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 연소시켜 발전하는 화력발전 방식으로 얻어 진다. 이러한 화력발전은 연료의 화학 에너지가 열에너지에서 기계적 에너지로, 여기에서 다시 전기에너지로 변화하는 3단계이 과정을 거쳐 전기를 발생시키는 발전방식이다. 즉 연료의 화학에너지의 연소를 통해 열로 변화시키고, 이를 다시 기계적 터빈 회전력을 통해 전기에너지를 발생시키는 변환과정인 것이다.

 하지만 연료전지는 중간 과정 없이 화학에너지에서 바로 전기에너지로 직접 변환된다. 천연가스나 메탄올 등의 연료에서 얻어낸 수소와 공기 중의 산소를 반응시키면 전기에너지를 직접 얻을 수 있다. 이러한 원리는 물을 전기분해 하면 수소와 산소가 발생된다는 것을 역으로 이용한 것이다. 수소와 산소를 반응시키면 연소반응에 의해 열이 발생하면 물이 되는데 이때 수소와 산소를 직접 반응시키는 대신 연료전지를 통해 전기 화학반응이 일어나게 하면 물과 열 이외에도 전기를 발생시킬 수 있다. 즉 연료전지란 수소 등의 연료가 갖고 있는 화학에너지로부터 전기에너지를 연속적으로 직접 발생시키는 발전장치이다. 연료론 계속 공급하는 한 전기를 계속 발생시킬 수 있기 때문에 일회용인 건전지 사용 후 재충전이 필요한 이차 전지와 달리 연속적인 발전기 또는 에너지 변화기의 역할을 수행한다.

 또한 연료전지는 발생되는 생성물이 물밖에 없어 무공해 산물의 대표적 전지이다. 기계적 에너지 변환단계가 생략되었기 때문에 소음이 없어 환경 친화적이다.

 연료전지는 공기극과 연료극의 전극, 두 극 사이에 위치하는 전해질로 구성되어 있다. 연료 전지의 구성요소 중 전극은 전기화학 반응을 진행시킬 수 있는 일종의 촉매 역할을 하고, 전해질은 생성된 이온을 상대극으로 전달시켜 주는 매개체 역할을 한다. 연료극에는 수소, 공기극에는 공기(또는 산소)가 공급되어 각 전극에서 전기 화학반응이 진행된다. 이렇게 구성된 연료전기 한 쌍을 단전지(Single cell)이라 하며 연료극과 공기극간의 전압은 약 1 V 내외가 된다. 이러한 전지를 단전지를 직렬로 연결하면 원하는 만큼의 전압을 얻을 수 있다.

 

연료 전지 화학반응

 연료전지(Fuel Cell)는 수소화 산소의 화학 반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 기술을 이용한 전지이다. 즉 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 반응은 전해질 내에서 이루어지며 일반적으로 전해질이 남아 있는 한 지속적으로 발전이 가능하다.

 연료전지의 구조는 전해질을 사이에 두고 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하며 두 전극을 통하여 수소이온과 산소이온이 지나가면서 전류를 발생시키고 부산물로서 열과 물을 생성한다.

① 연료극(Hydrogen from Tank, 양극)으로부터 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리

② 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동하며 전기 생성

③ 공기극(Oxygen from Air, 음극)쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물()을 생성

 최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열이 발생한다.

 연료전지는 전지라는 말이 붙어 있기는 하지만 일반적인 전지와는 다르다. 전지는 닫힌계에 화학적으로 전기에너지를 저장하는 반면, 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 또한 전지의 전극은 반응을 하여 충전/방전 상태에 따 바뀌지만, 연료전지의 전극은 촉매 작을 하므로 상대적으로 안정하다.

 생성물이 전기와 순수인 발전효율 30~40%, 열효율 40% 이상으로 총 70~80% 이상의 효율을 갖는 신기술이라고 할 수 있다.

 

연료 전지의 특징

 환경친화적 특징을 가진 연료전지의 특징은 다음과 같다.

장점

① 발전효율이 40~60%이며, 열병합 발전 시 80% 이상 가능

② 천연가스, 메탄올, 석탄가스 등 다양한 연료 사용 가능

③ 환경공해 감소 : 배기가스 중 NOx, Sox 및 분진이 거의 없으며, CO2 발생량에 있어서 미분탄 화력 발전에 비해 20~40% 감소

④ 회전부위가 없어 소음이 없으며 기존 화력발전과 같은 다량의 냉각수 불필요

⑤ 도심 부근에 설치가 가능하여 송배전시의 설비 및 전력 손실 적음

⑥ 부하 변동에 따라 신속히 반응하며, 설치 형태에 따라 현지 설치용, 분산 배치형, 중앙 집중형 등의 다양한 용도 사용 가능하다.

단점

① 초기 설치비용이 고가

② 수소공급 저장 등 인프라 구축 어려움

 

연료전지 발전원리(단위전지)

 기존의 가솔린 내연기관이 석유(가솔린) 등 혼합연료를 폭발시킨 힘으로 구동축을 돌리는 데 비해, 연료전지는 전기모터가 구동축을 돌리게 되어 있다. 이 때 전기모터를 돌리는 에너지를 생산해 내는 것이 바로 연료 전지이다.

 연료전지의 구조는 전해질을 사이에 두고 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하여 두 전극을 통하여 수소이온과 산소이온이 지나가면서 전류를 발생시키고 부산물로서 열과 물을 생성한다.

 연료전지의 음극(Cathode)을 통하여 수소가 공급되고 양극(Anode)을 통하여 산소가 공급되면 음극을 통해서 들어온 수소 분자는 촉매(Catalyst)에 의해 양자(H+)와 전자로 나누어진다. 나누어진 양자와 전자는 서로 다른 경로를 통해 양극에 도달하게 되는데, 양자는 연료전지의 중심에 있는 전해질(Electrolyte)를 통해 흘러가고 전자는 외부회로를 통해 이동하면서 전류를 흐르게 하며 양극에서는 다시 산소와 결합하여 물이 된다.

 연료 중 수소와 공기 중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전한다.

연료극에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리

② 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동

③ 공기극 쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물()을 생성하며, 최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열을 생성한다.

 반응은 산화제로는 여러 가지를 이용하 수 있다. 수소 연료전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하여, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화 염소 등을 산화제로 이용할 수 있다.

 연료전지의 발전 효율은 40~60% 정도로 대단히 높으며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 80%까지 에너지로 바꿀 수 있다. 게다가 천연 가스와 메탄올, LPG(액화석유가스, propane gas), 나프타, 등유, 가스화된 석탄 등의 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지 자원을 확보하기 쉽다. 또한 연료를 태우지 않기 때문에 환경에도 무해하다. 또한 질소산화물(NOx)와 이산화탄소의 배출량이 석탄 화력 발전의 각각 1/38 1/3 정도이며, 소음도 화력발전 방식에 비해 매우 작은 장점이 있다.

 이와 더불어 모듈화로 건설 기간 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고, 화력발전 방식에 비해 훨씬 적은 토지 면적을 필요로 하기 때문에 입지 선정이 용이하다. 따라서 도심지역 또는 건물 내에 설치하는 것이 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있다. 연료전지는 기존의 화력 발전을 대체할 수 있으며, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 나아가 무공해 자동차의 전원 등에 적용될 수 있다.

 

연료전지 발전 시스템 구성도

 연료변환기는 천연가스나 메탄올, 가솔린 등 탄소수소 연료를 진한 수소가스로 변환시켜주는 장치다. 이렇게 변환된 수소가스와 공기 중의 산소는 전류를 얻기 위해 연료전지스택으로 공급된다.

 연료전지스택 내에서 화학반응으로 발생된 전류는 DC 전류이며 인버터를 통해 AC전류로 변환된다.

2. 연료전지 발전시스템 구성

구 분

특 성

개질기(Reformer)

화석연료(천연가스, 메탄올, 석유 등)로부터 수소를 발생시키는 장치

시스템에 악영향을 주는 황(10ppb 이하), 일산화탄소(10ppm 이하) 제어 및

시스템 효율향상을 위한 compact가 핵심기술이다.

스택(Stack)

원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌍아 올린 본체

단위전지 제조, 단위전지 적층 및 밀봉, 수소공급과 열회수를 위한 분리판 설계/제작 등이 핵심 기술이다.

전력변환기(Inverter)

연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하고 있는 교류(AC)로 변환시키는 장치

주변보조기기

(Balance of Plant)

연료, 공기, 열회수 등을 위한 펌프류, Blower, 센서 등을 말하며, 연료전지에 특성에 맞는 기술이 미미함

 

 현재 개발 중인 연료전지는 수소와 메탄올, 청정 가솔린 등을 연료로 사용하고 있으며, 수소는 직접 에너지로 사용되고, 메탄올과 청정 가솔린은 일단 수소로 변환 후 모터를 돌리는 에너지를 생산하게 된다. 따라서 수소를 직접 에너지로 사용하는 연료전지차의 경우 연료변환기 장치가 필요하다.

 가솔린 내연기관의 에너지 효율이 20%에 불과한데 비해, 연료전지의 에너지 효율은 40~60%로 에너지 효율이 극히 높으며, 물 이외는 아무것도 배출되지 않는 친환경 에너지이다.

 

연료전지의 구성요소

1. 분리판 : 반응가스의 유로 제공, 전기적인 연결

2. 개스킷 : 반응가스의 누출방지

3. MEA : 전해질과 백금촉매의 접합체, 전기화학반응 일어남.

4. 스택 : 다수의 셀을 쌓은 것, 한셀의 Cathode는 인접 Cell Anthode와 전기적 연결

 2매의 백금 전극과 거기에 끼워진 전해질로 이루어지는 연료전지의 1단위를 단셀이라 부른다. 1개의 단셀이 발생시키는 전압은 연료로나 전해질의 종류에 따라 결정되는데 단셀의 크기에 무관하게 약 1볼트이다. 건전지와 같은 정도이다. 이 전압에서는 자동차 움직이지 않는다.

 더욱 큰 전압을 발생시키려면 많은 단셀을 직렬로 이으면 된다. 복수의 단셀을 직렬로 이은 것은 스택(stack)이라 부른다. 스택을 만들려면 단셀을 구성하는 부품 외에 단셀과 단셀 사이를 갈라 놓는 부품인 세퍼레이터(separator)가 필요하다.

 세퍼레이터는 1) 각 단셀 사이를 막고 가스의 혼합을 막고 2) 단셀에 수소 가스나 공기를 공급하는 통로가 되며 3) 단셀 사이를 잇는 도선(전자의 통로)으로 작용한다. 일반적으로 세퍼레이터와 전극 사이에는 가스를 균일하게 확산시키기 위한 가스 확산 층이 끼워진다.

 

수소 연료 전지의 구성

 수소연료전지는 간단히 세 부분으로 나 눌 수 있다. 수소가 들어가는 양극판(Anode)과 공기가 들어가는 음극판(Cathode), 그리고 그 두 판 사이를 채우는 전해질이다.

 재료만 다를 뿐 보통의 전지 구조와 흡사하다. 양극에선 수소가 이온화되며 전자를 내놓는다. 이 전자는 중간의 전해질을 통해 음극으로 이동하고 그곳에서 공기와 반응해 물을 만든다. 전자가 이동하는 과정에서 우리가 얻고자 하는 전기에너지가 발생한다.

 수소와 공기가 반등해 물이 생성되는 이 반응은 발열반응이여서 열과 물을 으로 얻울 수 있다. 우주선에선 수소연료전지를 이용해 전기에너지뿐 아니라 식수와 온수를 얻기도 한다. 수소연료전지는 원료와 산출물이 모든 친환경적이라는 장점이 있다.

 하지만 자연 환경에 수소가 그 자체로 존재하지 못하기 때문에 순수한 수소 분자를 얻기 위해 수소화합물을 이용한다. 이로 인해 지금의 수소연료전지는 100% 친환경적이라고는 할 수 없다. 그러나 수소를 무한대로 얻을 수는 있다.

 수고연료전지의 또 다른 장점은 효율이 높다는 점이다. 화석연료를 태워 물을 끓이고 그 수증기를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 지금의 방식은 화학에너지가 열에너지, 운동 에너지를 거쳐 전기에너지로 변환되므로 에너지 효율이 낮은 데 비해 수소연료전지는 단 한 번의 반응식으로 전기가 생산되기 때문에 고효율이라는 장점이 있다.

 우리가 실제로 사용하는 수소연료전지는 양극, 음극, 전해질로 구성된 하나의 단위전지가 여러 개 겹쳐진 적층구조를 이루고 있다. 전류는 단위전지 면적에 따라 전압은 쌓아 올려진 단위전지 개수에 따라 조절되므로 수소연료전지는 전력을 자유자재로 결정할 수 있다는 장점도 있다.

 연료 전지의 구성

- 셀은 플러스의 전극판(공기판)과 마이너스이 전극판(연료판)이 전해질을 포함한 층을 겹친 샌드위치 구조와 같은 형태의 구조이다.

- 공기극과 연료극은 수 많은 구멍이 나 있고 여기를 외부에서 공급된 공기 중 약 20%의 산소가 포함되어 있는 공기가 통과함으로 반응이 일어난다.

- 수소는 전해질을 접촉하는 면까지 들어가 있어서 전자를 유리하여 수소이온이 되고 전자는 밖으로 나가 버린다. 전해질을 통과한 수소 이온은 반대측의 전극에서 보내진 산소와 외부에서 전선을 통해 돌아온 전자와 반응해 물이 된다.

- 이런 전자와 이온으로 분리되는 시점이 연료 전지의 원리 중 가장 중요하다. 그러나 단층의 셀에 의해 전기 발생은 많지 않아 필요전기를 얻기 위해서는 직렬로 연결하여 셀을 적층하고 상하셀 사이에는 산소와 수소의 통로를 막으면서 적층된 셀을 전기적으로 연결하는 세퍼레이트가 들어간다

- 연료전지의 이상적인 상태라면 모든 전기에너지로 변화되겠지만 셀내부의 약간의 전기저항이 있어 일부 에너지가 열에너지로 변해 버린다. 이로 인해 셀에서 발생하는 열을 제거하기 위해 냉각수를 투입하는데 역으로 냉각수는 열을 얻어 가열되므로 급탕이나 난방 등에 사용할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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