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작성일 : 09-08-12 14:25

연료전지란 무엇인가?

글쓴이 : 관리자

fuel_cell.pdf (327.4K) [200] DATE : 2009-08-12 14:25:44

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▷연료전지란 무엇인가?
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[정의]
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연료전지는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로 정의되며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산한다.

[연료전지의 기본 개념]
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연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 반응에 의하여 생성되는 전자의 이용으로 설명할 수 있다.
수소는 Anode를 통과하고 산소는 Cathode를 통과한다. 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다. 전자가 전해질을 통과하면서 직류 전력이 발생하며 열도 부수적으로 생산된다. 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기열로 배출된다.

연료전지의 연료인 수소는 순수 수소를 이용하거나, 메탄이나 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여 개질이라는 과정을 통해 생산된 수소를 이용한다. 순수한 산소는 연료전지의 효율을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있다. 따라서 공기 중에 산소가 많이 포함되어 있으므로 효율은 좀 떨어지지만 공기를 직접 이용한다. 종합적으로 다음과 같은 반응에 따라 전기와 열 및 물이 생성된다.

Anode : H2 -→ 2H+ + 2e-
Cathode : O2 + 2H+ + 2e- -→ H2O
Overall : H2 + O2 -→ H2O + 전류 + 열

전해질은 한 전극에서 다른 전극으로 수소 이온을 전달해 주는 역할을 한다. 이온전달의 저항을 최소화 해주기 위하여 전해질막은 전극이 접촉되지 않는 범위에서 가능한 얇게 한다. 촉매는 전극의 반응을 향상시킨다. 2개의 전극으로 구성된 단위 셀은 이론적으로 전압을 1.23Volt 까지 생성시킬 수 있으나, 실제는 0.7V 정도를 생산한다. 연료전지는 필요한 전압을 위하여 겹층으로 구성한다. 요구되는 출력을 얻기 위해 표준 크기의 스택을 직렬로 연결하여 상용연료전지를 구성한다.

▷연료전지의 종류 및 특성
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연료전지는 내부 전해질에 의하여 아래 표와 같은 형태로 구분되어진다. 각 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해서 작동하지만, 서로 다른 점은 연료의 종류, 운전 온도, 촉매와 전해질이다.

[인산형 연료전지]
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인산형 연료전지 기술은 20년 이상 개발되고 개선되어 왔고, 전기 생산에 비교적 순수한 수소(70% 이상)를 요구한다. 인산형 연료전지 내의 전극은 탄소 지지체의 표면적 위에 촉매로써 백금이나 백금 혼합물을 포함한다.

인산형 연료전지의 운전 온도는 약 200℃ 이다. 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 의존하여야 한다. 일례로 인산형 연료전지의 반응이 발열 반응이므로 연료전지가 반응온도인 200℃로 유지함이 최적의 운전 조건이 된다. 따라서 연료전지 반응시 반응열을 냉각시켜야 하며 이때 생성되는 반응열을 이용하면 효율을 70%이상 높일 수 있다.

인산은 저온 연료전지를 위한 전해질로써 필요한 수명을 가진 그런 유일한 물질로 알려져 있다. 이것이 낮은 이온 도전율을 가지고 있다 할지라도 이것의 안정도는 전류 상태를 증진시키는 전지 개발에 기여하였다. 인산형 연료전지 응용은 휴대용, 자동차용 및 고정용 전원을 포함한다.

[알칼리형 연료전지]
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알칼리 연료전지는 전해질로써 수산화칼륨과 같은 알칼리를 사용한다. 연료로서 순수 수소를 쓰며, 산화제로써는 순수 산소를 쓴다. 운전 온도는 대기압에서 60∼120℃이다. anode의 촉매는 니켈망에 은을 입힌 것 위에 백금-납을 사용하고, Cathode는 니켈망에 금을 입힌 것 위에 금-백금을 쓴다. 알칼리 연료전지의 고효율화의 기본적인 목적은 자동차 산업의 전원 공급용이다. 알칼리 연료전지는 알칼리가 이산화탄소에 민감하기 때문에 인산형 연료전지의 개발보다 늦게 개발되었다.

알칼리 연료전지 시스템에서 수소의 저장과 이산화탄소의 경제적인 제거는 알칼리 연료전지의 상업화에 가장 중요한 요소이다. 자동차의 경우에 알칼리 연료전지가 확보할 수 있는 시장 비율은 경쟁성 기술에 의하여 영향을 받을 것이다.

알칼리 연료전지 기술 전망은 수소 저장과 대규모 상업화를 시작하기 전에 유통망(distribution)의 개량을 필요로 한다. 과학자들에 의하여 오랫동안 주장되어 온 수소를 기초한 미래 자동차의 경제성은 알칼리 연료전지의 상업화를 선호하게 될 것이다.

[고분자전해질형 연료전지]
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고분자 전해질형 연료전지의 전해질은 액체가 아닌 고체 고분자 중합체(Membrane)로써 다른 연료전지와 구별된다. 인산형 및 알칼리형 연료전지 시스템과 비슷하게 멤브레인을 이용하는 연료전지는 촉매로써 백금을 사용한다. 멤브레인 연료전지의 개발 목표는 최소 1.5g/kW의 백금 촉매를 쓰는 것이다. 이 백금 촉매는 일산화탄소에 의한 부식에 민감하므로 일산화탄소의 농도는 1000ppm 이하로 유지하여야 만 한다.

고분자전해질형 연료전지 시스템의 소형화는 자동차 응용에 가장 중요한 역할을 한다.개발 사업은 인산형 연료전지보다 약 10년이 뒤져 있지만, 인산형에 비해 저온에서 동작되며, 출력 밀도가 크므로 소형화가 가능하며, 기술이 인산형과 유사하여 응용 기술의 적용이 쉽기 때문에 현재는 고분자전해질형 연료
전지의 이용 규모가 적을지라도 상업화할 수 있다. 더욱이 현재 몇 개의 시범용 고분자 전해질형 연료전지의 전원에 의한 자동차는 실험 결과 우수성이 입증되어 더 많은 연구 계획을 진행 중에 있다.
용융탄산염형 연료전지용융탄산염형 연료전지의 전해질은 낮은 용융점을 가지는 탄화리튬과 탄화포타슘의 혼합물이다. 전극은 다공성 니켈로 만든다. 전극의 부식성과 내구성은 아직 개발에 중요한 애로점이다.

용융탄산염형 기술의 산 또는 알칼리 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. 용융탄산염형 연료전지의 운전 온도는 약 650℃이고, 전지 스택의 열로 전지 내부의 탄화수소 기체의 개질을 허용한다. 내부 개질의 장점은 30% 또는 그 이상의 비용을 감소시킨다.

용융탄산염 연료전지를 상업화하기 전에 내구성과 신뢰도를 개량시킬 필요가 있다. 운전온도가 높아 정상운전 되는 동안 용융탄산염 전해질의 결핍과 증발로 인하여 양이 줄어들기 때문이다. 이것이 운전의 안정성과 현재 용융탄산염형 연료전지의 유효 수명의 제한점이다.

[고체산화물형 연료전지]
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고체산화물형 연료전지의 특징은 탄화수소를 직접 전기로 변화시킬 수 있는데 있다. 전해질은 안정화된 산화이트늄으로 가스가 스며들지 않은 산이온이 효율적으로 접촉하고 있는 얇은 산화지르코늄 층이다. Cathode는 안정된 산화이트늄으로 된 지르코늄으로 만들어졌고, anode는 니켈-지르코늄 세라믹 합금으로 만들어졌다.

고체산화물형 연료전지의 가장 톡특한 특성은 운전 온도는 약 1000℃ 로써 매우 높다는 것이다.이 온도에서는 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화 반응이 일어나고 촉매없이 연료가 개질된다.운전 온도 1000℃에서 금속 재료의 적당한 열적-기계적 강도를 요구하기 때문에 가스 누출 방지가 가장 중요한 애로 사항이다. 세라믹 재료 기술의 개발은 고체산화물형 연료전지가 상업적으로 발전을 시작하기 전에 필요한
기술이다. 고체산화물형 연료전지는 상업적으로 자동차 응용에 연구되어지고 있다. 자동차에 사용하기 위한 이 전지 기술의 모형화가 밧데리 전원 공급형 자동차가 아닌 전위밀도를 요구하는 것과 접목시키는 것이 궁극적인 목적이다.

[직접메탄올연료전지]
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DMFC는 메탄올을 직접, 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템이다. 전해질은 이온 교환막에 인산을 담지시킨 것이다. 작동 온도는 150℃로 비교적 저온이다. PEFC와 비교하여 개질기를 제거할 수 있으며, 시스템의 간소화와 부하 응답성의 향상이 도모될 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 반응 속도가 낮은 것이 의한 저출력 밀도, 다량의 백금 촉매의 사용과 메탄올과 산화제의 Cross Over(고체 고분자 막을 통과하는 것) 등의 단점도 있다.

▷ 연료전지의 장점
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1. 저공해 고효율 에너지원이다.
연료전지는 도심지에서의 대기 공해를 환상적으로 줄일 수 있다. 연료전지는 동력원의 시스템 효율이 50% 이상이고(기존 내연기관의 효율은 25% 이하이다), NOx, SOx 등의 유해 가스의 배출이 1% 이하인 청정 고효율 발전 시스템이다.

2. 차세대 에너지원이다.
70년대의 오일쇼크 이래로 선진 각국에서 꾸준히 대체에너지원의 개발에 노력을 경주하여 왔는데, 연료전지는 석유에너지 이외에 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 대체에너지를 이용하여 발전할 수 있다. 따라서 절대적인 자원이 부족한 우리나라의 현실에서 볼 때, 연료전지는 차세대 동력원으로 주목받을 것이다.

3. 새로운 시장 잠재력이 크다.
연료전지는 금속, 전기, 전자, 기계 및 제어 산업과 부수적인 장치를 공급하는 새로운 시장이 창조될 수 있다. 이것은 역시 수십만의 전문직 직업을 창조해 낼 수 있으며, 무역 수지에 엉청난 기여를 할 것이다.

▷연료전지의 응용
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[자동차 응용 ]
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최근에 전 세계적으로 지구의 환경문제가 중요한 관심사로 떠오르고 있고, 이를 해결하기 위한 여러 가지 규제들이 국제적으로 제정되어 환경 보호를 위해 시행되고 있다.
이에 가장 중요한 환경 공해는 주로 석유 연료의 사용에 의해서 발생되고 있는데, 국내에서 수송수단이 차지하는 석유 에너지 소모량은 97년 현재 약 22%를 상회하고 있으며, 전체 공해 발생량 중 차량 및 수송 수단에서 발생되는 것의 약 50.3%를 차지하고 있으며 해마다 계속 증가하고 있는 추세이기 때문에 차량에 의한 공해 발생을 절감시키는 것이 매우 중요하다.

이에 대응하기 위하여 저공해 자동차의 개발을 통한 공해 발생을 줄이기 위하여 전기자동차, 축전지와 내연기관의 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차등이 개발되고 있는데, 전기 자동차는 운행거리를 충분히 확보할 수 있는 축전지 기술의 실용화에 한계가 있다. 이러한 내연기관과 전기자동차의 문제점을 해결할 수 있는 유망한 기술이 연료전지를 이용한 전기자동차이다.

연료전지 자동차는 Time지가 선정한 2000년대 초반에 개발되어야할 10대 기술중의 하나로 현재 선진 각국이 실용화를 위해 연구가 추진 중에 있다.

[전기자동차와 연료전지자동차]
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연료전지 자동차도 일종의 대체에너지를 이용한 전기자동차이지만 축전지 구동 전기자동차와 구분하기 위하여 축전지 구동 자동차를 전기자동차로 기술하여 연료전지 자동차와 구분하여 설명한다. 연료전지 자동차와 비교할 수 있는 대상은 축전지 구동 전기자동차이다. 전기자동차로부터 직접 배출되는 매연의 수준은 연료전지 자동차에 비해 매우 낮다. 전기자동차에 대한 주요 공해원은 축전지를 충전하는데 필요한 전기를 생산하기 위해 생기는 발전소에서의 공해이다. 따라서 충전을 위한 전력을 무공해 발전 방식인 태양광, 풍력 그리고 수력을 이용한 발전을 하였을 경우에만 전기자동차의 공해량이 연료전지 자동차의 공해량보다 낮은 수준이 된다.

이와 같이 전지자동차의 실용화는 전세계적으로 그 필요성이 인정되어 있지만 지금까지는 기술개발, 표준화, 시험안, 국가지원, 인프라 연구 등 여러 가지 전기자동차 관련분야 중에서 오직 기술개발만을 목적으로 모든 연구가 진행되어 왔었다. 그러나 차량이 양산체제에 돌입하고 시판까지 이르기 위해서는 개발품에 대한 성능의 객관적인 평가가 무엇보다 필요하고 이는 개발자뿐만 아니라 소비자들에게도 중요한 것이다.

연료전지 자동차는 전기 자동차와 거의 특성이 비슷하여 구동 방법상 근본적인 차이는 없다.다만 구동원을 위한 에너지원으로써 연료전지 자동차는 순수 수소 혹은 개질 수소를 사용하여 발생하는 전력을 사용하고, 전기자동차는 보통 발전소에서 공급하는 전력을 사용한다는 점이다.

▷ 국내·외 고분자 연료전지 관련 기술의 현황
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1) 국내의 경우
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가) 고분자 연료전지 기초연구 (1991-1993. 포항공대 동자부 연구비)
나) 1kW급 고분자 전해질 연료전지 스택 개발 (1994-1996, 한국가스 공사, 통산산업부 연구비),
상용 고가 전해질막과 전극으로 스택 구성함.
다) kW급 고분자 연료전지 개발 (1999, KIST)
라) 소형고분자 연료전지 개발 (삼성종합기술원)
마) 고분자 전해질 개발 (1999, 한국에너지기술연구소-한화석유화학)

2) 일본
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ⅰ) Toshiba사는 독립 건물용 30 kW 급 고분자 연료전지 시스템을 제작중(NEDO program)
ⅱ) Sanyo 전자는 주택용 30 kW 급 고분자 연료전지 시스템을 제작중(NEDO program)
ⅲ) Kansia electric power 는 Fuji 전자회사와 공동으로 열병합 발전용 고분자 연료전지 시스템 개발중
iv) Nissan사는 1990년대 초에 자동차용 연료전지를 개발하기 시작하여, 1991년 부터 Ballard사와 공동 개발하고 있으며, 1997년에 연료전지 자동차 연구 및 시험용으로 Ballard사의 연료전지를 220만 Can$ 상당 도입하였음.
v) Honda도 Ballard사와 공동으로 연료전지 자동차를 연구하고 있으며, 1997년 에 180만 Can$ 상당의 Ballard사 연료전지를 도입하였음.

3) 미국, 캐나다
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ⅰ) PEMFC를 우주선용으로 1960년대 최초 개발(GE사 제미니 우주선 용)
ⅱ) 캐나다의 Ballard 사에서는 천연가스를 이용한 10Kw급, 수소가스를 이용한 30 kW급, 천연가스를 이용한 250 kW 급 고분자 연료전지 시스템을 일부 개발
iii) 미국의 Analytic Power 사에서는 정지형 10kW 급 스택 시제품 개발
iv) 미국의 Plug Power L.L.C. 사는 가정용 10kW 급 발전 시스템을 제작
v) 미국 에너지성(DoE)은 General Motors, Ford, Chrysler의 자동차 3사와 6개 연방정부 공동으로 1993년부터 공동체(PNGV)를 형성하여 무공해 고효율 연료전지 자동차의 개발 프로그램을 시작함.
vi) 미국 International Fuel Cells(IFC)사는 1994년부터 DOE/Ford 프로그램으로 수송용 50kW PEMFC 개발함
vii) Energy Partners사는 21kW 연료전지를 장착한 하이브리드 자동차 "Green Car"를 개발함

4) 유럽
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ⅰ) 독일의 Siemens 사는 분산형용 소규모 정지형 단위시스템을 개발중
ⅱ) BEWAG 사는 캐나다의 Ballard 사와 공동 연구를 통하여 250 kW 급 고분자 연료전지 시스템 개발(전시중)
iii) 독일의 Daimler-Benz사에서 연료전지 버스와 승용차(버스: NEBUS(25kW급 연료전지 10개 사용, 전체 출력 190kW), 승용차: NECAR I(1994), NECAR II(1996), NECAR III(1997))를 각각 개발하였으며, 현재 메탄올 개질 연료전지 자동차를 비롯하여 소형화를 위한 연구 개발을 진행중임.
iv) 독일의 Siemens와 MAN사는 150kW PEM 연료전지를 사용한 City Bus를 공동 개발 중이며, Siemens사는 이를 잠수함에 응용하는 연구를 진행 중임.
v) 독일의 Volkswagen사와 스웨덴의 Volvo사는 Golf급 연료전지 하이브리드 자동차를 공동 개발하고 있음.

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(2008-11-20 )