14. 자동차 연료 전지의 작동 원리

자동차 학습/친환경 자동차 2015. 12. 15. 14:19 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

14. 자동차 연료 전지의 작동 원리

일반적으로 물에 직류 전기를 흘리면 물이 분해되어 수소와 산소가 된다. 그와 반대로 수소와 산소를 반응시키면 전기와 물이 나온다. 자동차 연료 전지는 이런 원리를 이용하여 연료로부터 직접 전기를 생산하는 에너지 변환장치이다.

 수고와 산소를 반응시키면 급격한 반응이 일어나 물과 열이 발생한다.

 연료전지는 수소와 산소를 직접 만나지 않고, 이온상태로 만나게 하여 물과 전기를 생성한다. 이것을 가능하게 하는 것이 수소를 이온 상태로만 통과시키는 이온 교환막이 한다. 이온 교환막을 사이에 두고 수소와 공기를 흘려 주었을 때, 수소가 교환막과 만나면 전자를 내주면서 이온이 된다. 이온은 교환막을 지나가고 전자는 외부로 연결된 도선을 타고 반대쪽 공기가 있는 쪽으로 간다. 공기 중의 산소와 교환막을 지나온 이온과 전극을 타고 온 전자들과 만나 물이 된다. 외부로 연결된 전선을 타고 전자가 이동할 때는 전자는 전구의 불을 켜고, 동력을 발생시킬 수도 있다.

 수소가 전자를 내주면서 이온이 되고, 이온이 산소와 만나면서 물이 되는 반응은 잘 일어나지 않기 때 문에 촉매를 이용해야만 한다. 이온 교환막 표면에는 촉매를 잘 분산한 전극 물질이 부착되어 전자도 잘 흐르게 하고 반응도 골고루 빠르게 일어나게 한다. 이온교환막 연료전지는 작동온도가 낮아 자동차용으로 적합하다.


자동차 연료 전지 스택의 구조

연료 전지 하는 보통 1V 내외의 전압을 발생 시킨다. 일반적인 전원의 용량으로는 너무 낮기 때문에 이들 연료전지 수백 개를 직렬로 연결해 원하는 전압을 생성시킨다. 직렬로 연결할 때 수소와 산소를 분리하면서도 전기도 잘 통하게 하기 위해 이온 교환막들 사이에 분리판을 둔다. 분리판에는 수소와 공기가 잘 흘러 이온 교환막에 고르게 퍼지게 하고, 반응에 의해 생긴 물을 효과적으로 없애기 위한 배수로가 있다.

 이온 교환막과 분리판의 전기적 접촉은 물론 반응 기체의 유속에 의한 이온 교환막과 전극의 손상을 막기 위해 전기를 잘 통하는 물질로 되어 있고 기체가 잘 통하는 구조로 된 기체 확산층을 그 사이에 둔다. 일정한 순서로 쌓아 올린 연료 전지부품들을 적절한 압력을 가해 체결을 한다. 연료 전지 스택은 판상의 부품을 쌓은 적층 구조로 되어 있어 스택이라고 부른다.


그림1. 연료전지 스택 구조



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