수소연료전지 구조 - susoyeonlyojeonji gujo

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연료전지 원리

• A_연료극 (ANODE)

  수소는 연료극으로 투입되어
  촉매에 의해
  수소양이온과 전자로 분리됨

• B_전해질 (ELECTROLYTE)

  이온만 통과시키는 물질로
  수소 이온은 연료극에서
  전해질을 통과하여
  공기극으로 이동

• C_공기극 (CATHODE)

  전해질을 통과한 수소양이온과
  공기극으로 투입된 산소가
  촉매에 의해 서로 결합해 물이 생성

• D_전기 (ELECTRICITY)

  전자가 외부의
  회로를 통해 이동하며
  전기를 생성

발전 장치의 규모가 크지 않아도 되기 때문에 소규모로 여러 곳에 설치해서 송전 비용도 줄일 수 있습니다. 뿐만 아니라 사용 원료가 고갈될 염려도 없고, 전기를 생산한 후 발생하는 물질이 물뿐이므로 공해도 전혀 일으키지 않습니다. 이러한 장점 때문에 연료 전지는 초기에 자동차나 인공위성 등 이동용 장치의 독립 전원으로 개발되기 시작하였으며, 최근에는 대체 에너지원으로 사용하기 위한 대형 시스템이 개발되고 있습니다. 아직도 연료 전지가 실용화되려면 해결해야 할 문제점이 많지만, 미래의 에너지 문제를 해결하고 에너지 생산에 뒤따르는 환경 문제를 일으키지 않는다는 점이 연료 전지의 미래를 밝게 하고 있습니다.

연료 전지에 의한 발전의 메커니즘은 물의 전기 분해의 역방향으로 진행됩니다. 즉, 물의 전기 분해에서는 물에 전기를 흐르게 하면 수소와 산소가 발생하지만, 연료 전지에서는 수소와 산소를 반응시켜 전기를 발생시킵니다. 이 반응으로 배출되는 것은 물뿐입니다. 연료극에서 수소는 수소 이온과 전자로 나누어진다. 전해질의 고분자 막은 수소 이온만을 통과시키고, 막 안쪽의 음극에는 전자가 남게 됩니다. 수소 이온은 공기극의 산소와 결합하여 물이 되며, 이 양극 사이의 전위차에 의하여 전류가 발생합니다.

연료전지는 도시가스를 이용해 수소와 공기중의 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 생산하는 발전기로서 1년 365일 가동 가능하며, 고객의 편의에 따라 On-Off 조절이 가능한 유일한 신재생에너지입니다.

연료전지 구조

• 연료극에 유입된 수소는 백금촉매에 의해 산화되어 수소양이온과 전자로 분해
• 연료극에서 발생된 수소양이온은 전해질막을 통해 공기극으로 이동, 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동
• 공기극으로 이동한 수소양이온과 전자는 산소와 결합하여 물 생성

시스템 구성

연료전지 역사

• 1966

  APOLLO Program

• 1981~Present

  Space Shuttle Program

• 1992~Present

  200kW Natural Gas

• 2000

  75kW Auto

• 2001

  75kW Buses

• 2002

  MEA/셀스택 개발

• 2004

  5kW UPS

• 2009

  1kW 국내 최초 주택용 연료전지 설비 인증

• 2013

  10kW 국내 최초 건물용 연료전지 설비 인증

• 2014

  5kW 연료전지 인증

• 2015

  600W 개발완료

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- AFC (Alkaine Fuel Cell), 알카라인 연료전지
최초로 개발된 연료전지 방법으로 액체 형태의 전해질이 사용된다. 이온 전도성이 우수한 수산화칼륨을 사용하며 산성 전해질에 비해 큰 기전력과 전류밀도를 얻을 수 있다.
또한 저가의 알칼리 금속들이 촉매로 사용되는 백금과 비슷한 활성을 보이기 때문에 고가의 금속인 백금 사용량을 절감하는 효과를 보이고 쉽게 고출력을 얻을 수 있다는 장점 때문에 우주용, 잠수함 등 특수용에 많이 사용된다.
단점으로는 전해질이 공기 중의 이산화탄소와 반응하게 되면 결정형의 탄산염을 형성하고 양극 전극에 쌓여 연료 전지의 성능 저하가 발생된다.

- PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) : 인산형 연료전지
인산은 저렴하고 풍부하게 존재하는 물질로, 알칼리형 연료전지와 다르게 이산화탄소에 의한 성능 저하가 없어 일반 공기를 산화제로 사용하는 지상에서 사용하기 적합하다.
그러나 다른 물질을 부식시키는 성질이 강하며 저온에서는 점도가 높고 이온 전도성이 낮아 고온에서 이용해야 효율이 좋다는 단점이 있다.

- MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지
탄산리튬과 탄산칼륨의 혼합 액체를 전해질로 사용한다. 탄화수소계 연료를 사용할 경우 변성반응이 불필요하고, 반응열로 전지 배열을 그대로 이용할 수 있어 효율적이다. 600~800 ºC의 고온에서 동작하기 때문에 전기화학 반응이 빨라져 고가의 백금 촉매 대신 니켈 등의 저가 금속을 촉매로 사용할 수 있다. 그러나 탄산염 혼합물의 부식성이 높고 가동 정지나 출력 억제 등 제어의 유연성이 저하되는 단점이 있다.

- SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), 고체산화물 연료전지
차세대 연료전지로 각광받는 SOFC는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물(세라믹 등)을 전해질로 사용한다. 전해질이 고체이기 때문에 전해질의 분산이 없고 전압에 대한 설계와 제어가 비교적 용이하다는 장점이 있다. 가장 고온에서 작동하는 연료전지로 백금이 아닌 저가의 촉매를 사용하거나 혹은 촉매 없이 사용 가능하다. 또한 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고 전해질의 손실 및 보충의 문제와 부식 문제가 없다. 그러나 세라믹 재료 특성 상 부서지기 쉽기 때문에 이를 고려한 설계가 필요하다.

구동 온도에 따른 분류
- 고온형 : MCFC, SOFC

고온형 연료전지는 500º~1,000º 사이에서 작동하며, 온도가 높아 자체적으로 수소 이온 활성화도를 높일 수 있어 니켈 촉매 등 저렴한 촉매를 사용하거나, 아예 사용하지 않아도 된다는 장점이 있습니다.
그러나 온도가 높을수록 내부 부품 및 재료들의 내구성이 취약해지는 단점이 있습니다.

- 저온형 : AFC, PAFC, PEMFC
저온형 연료전지는 50º~250º 에서 주로 작동합니다. 저온일수록 수소 이온 활성화도가 낮아지기 때문에 백금 촉매 등 고가의 촉매가 사용됩니다.

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