연료 전지(수소차)의 종류

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.

표1. 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.

① 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.

 

표2. 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℃

표3. 연료전지 발전 현황

구분	특성
알카리형(AFC, Alkaline Fuel Cell)	-1960년 군사용(우주선: 아폴로 11호)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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