연료전지 -3 차 전지Fuel Cell

화학 전지 이온화 경향이 다른 두 금속을 이용하여 전해질 용액에서 전류를 얻는 장치 이온화 경향의 차이가 클수록 높은 전압을 얻을 수 있음 . 이온화 경향이 큰 금속이 양이온이 되어 전자를 내어 놓아 전자가 만으로 (-) 극이 되고 이온화 경향이 작은 금속 쪽이 (-) 극에 비해 전자가 부족하여 (+) 극이 됨 화학 전지의 구성 (-) 극 : 이온화 경향이 큰 금속 , 전자를 잃음 ( 산화 반응 )

(+) 극 : 이온화 경향이 작은 금속 , 전자를 얻음 ( 환원 반응 )

전해질 용액 : 묽은 산이나 염의 수용액으로 함

연료전지 (Fuel Cell)

1839 년 , 영국 William R Grove: 수소를 연료로 하는 최초의 연료전지가 제작 , 실험 1965 년 , General Electric 사 : 연료전지 개발 : 상용화

연료 산화로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지

일종의 발전장치라고 할 수 있으며 산화 / 환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만 , 닫힌 화학전지와는 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 , 반응생성물이 연속적으로 제거됨 . 수소 - 산소 연료전지가 가장 보편적

수소 , 메탄 , 천연가스 등 기체연료 사용 전지와 메탄올 및 히드라진과 같은 액체연료 사용 전지 등 여러 가지가 개발 되었으며 작동온도가 300 ℃ 정도 이하는 저온형 , 그 이상은 고온형으로 분류 . 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형 용융탄산염 전지는 2 세대 , 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지는 제 3 세대 연료전지

Chemical Energy → Electrical Energy

H2O

Fuel Cell

Heat

Electricity

Fuel

Air

연료전지의 작동 원리 연료 중 수소와 공기 중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전 ① 연료극 ( 양극 ) 에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리 → ② 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동 → ③ 공기극 ( 음극 ) 쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물 ( 물 ) 을 생성 ⇒ 최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기 , 물 및 열생성

연료전지의 특징 열병합 : 폐열활용 ( 효율 : >70%) 발전효율이 40 60 %∼ 이며 , 열병합 발전 시 80% 이상 가능 천연가스 , 메탄올 , 석탄가스 등 다양한 연료사용 가능 환경공해 감소 : 배기가스 중 NOx, SOx 및 분진이 거의 없으며 , C

O2 발생량에 있어서도 미분탄 화력발전에 비하여 20 40% ∼ 감소 회전부위가 없어 무소음 , 화력발전과 달리 다량의 냉각수 불필요 도심부근 설치 가능 , 송배전시의 설비 및 전력 손실 적음 부하변동에 따라 신속히 반응 , 설치형태에 따라서 현지 설치용 ,

분산 배치형 , 중앙 집중형 등의 다양한 용도 사용 및 증설 가능

연료전지 시스템의 구성 개질기 (Reformer)

연료인 천연가스 , 메탄올 , 석탄 , 석유 등을 수소가 많은 연료로 변환시키는 장치 단위전지 (Unit Cell)

연료전지 단위전지 (Cell) 는 기본적으로 전해질이 함유된 전해질 판 ,

연료극 (Anode), 공기극 (Cathode), 분리판 (Separator)

단위 전지의 분리막으로 단위전지 (Cell) 에서 전류를 인출하는 경우 통상 0.6 0.8V∼ 의 낮은 전압이 생성 스택 (Stack)

원하는 출력을 얻기 위해 단위전지를 수십 / 수백 장 직렬로 쌓아 올린 본체 전력변환기 (Inverter)

전지에서 나오는 직류전기 (DC) 를 교류 (AC) 로 변환시키는 장치

연료전지 관련 필요 기술

연료전지시스템 장단점 및 발전 방식장 점

단 점

높은 에너지 효율 (40%/ CHP = 80% 이상 ) 환경오염이 적음 (NOx 및 SOx 무배출 ) 화석연료의 의존성이 적음 소음이 적음 ( 기계적 Moving Part 부재 ) 이동이 자유로움 ( 설치장소의 제약이 적음 ) 폐열 활용이 가능함 ( 열병합 발전 )

초기 설치비용의 경제성 문제 (Target : RPG $400/kW, Vehicle $45/kW) 기술적 신뢰성 및 내구성 문제 수소공급 , 저장 등 인프라 구축문제

버너 보일러 터빈 발전기

화학에너지화학에너지 열에너지열에너지 기계에너지기계에너지 전기에너지전기에너지

손실 손실

기존화력발전방식

화학에너지화학에너지 전기에너지전기에너지

연료전지발전방식

연료전지의 종류 및 특징종류 전해질 동작

온도 촉매 이온이동 응용 / 비고

알칼리 (AFC) KOH 50~200℃ Pt, Ni OH- 우주 왕복선 등 특수목적으로 사용 중

고체 고분자형 (PEFC)

ProtonExchange

Membrane30~100℃ Pt H+ 자동차용 , 모바일 기기용 ,

저출력 CHP 시스템

직접메탄올(DMFC)

ProtonExchange

Membrane20~90℃ Pt-Ru H+

저출력으로 자기간 이용하는 휴대용 전자시스템 , 자동차에 적합

인산형(PAFC)

H3PO4 약 220℃ Pt H+ 분산전원 , 다수 200 kW CHP 시스템에 사용 중

용융탄산염형(MCFC)

ProtonExchange

Membrane약 650℃

Ni, LiNi

CO32- 중 ~ 대규모 CHP 시스템 ,

복합발전 , 열병합발전

고체산화물형(SOFC)

Solid OxideZrO2-Y2O3

500~1000℃

Ni O2-

2 kW~ 수 MW 크기 CHP 시스템에 적합 . 복합발전 , 열병합발전

연료전지 시스템의 구성도

연료전지의 연료 개질 사용되는 수소의 생산은 화석 연료로부터 개질 하여 사용 개질은 CO2 저감효과가 미비 향후 원자력 , 대체에너지에 의한 수소 생산 방식 개발 필수 고온 수증기 개질 , 부분 산화 개질 방식을 혼합한 형태 시스템 개발이 활발히 진행 중 → 부분산화 개질 시 발열에너지를 고온 수증기 개질 열원으로 활용

제조방법 분류 핵심 기술 및 특징

화석연료에 의한 수소 제조

수증기 개질 천연가스 열분해 부분산화 석탄가스화

핵심 기술 : 반응기 설계 , 고순도 수소 분리 카본블랙 제조 및 회수특징 : 다른 제조기술의 전단계 기술 화석연료의 고갈로 향후 사장될 것임

물로부터의 수소생산

직접 전기분해 직접 열분해 열화학 공정

핵심 기술 : 전기분해 셀 제작 , 셀 적층 , 시스템 구성특징 : 대량생산 용이 , 전기에너지의 비용이 높음 대체에너지를 사용함으로써 CO2 저감

태양에너지를 이용한 수소생산

광분해 광전 / 전기분해 시스템 광화학 공정 광전화학 공정

핵심 기술 : 광촉매 제조 , 특성 분석 , 산화 - 환원 반응 열분산 반응기 설계특징 : 실용화에 접근한 싸이클이 없음 , 경제성 미흡

생물학적 수소생산

광합성 박테리아를 이용한 유기물의 광분해 광합성 / 발효성 박테리아 하이브리드 시스템 유기화합물 발효

핵심 기술 : 균주 분리 및 개선 , 광합성 미생물 배양 수소생산 시스템특징 : 대량 생산 / 기술 경제성 확보 어려움

인산형 연료전지 (PAFC) 최초로 상업적으로 제작된 연료전지 UTC Fuel Cell 에서 200 kW 급 시스템을 미국 및 유럽에 설치 운전 중 다공질 전극과 Pt 촉매 사용하여 220 ℃ 에서 운전 신뢰성이 높으면서 유지보수가 필요 없는 전원 주로 전력공급용으로 개발 운전되고 있음

<UTC Power 의 200 kW 급 PAFC>

인산형 연료전지 (PAFC)

운전 온도는 약 200 . ℃ 인산 전해질 안정도를 위하여 허용하는 최대값인데 이 기술로 현재까지 순수한 발전 효율은 40 50% ∼ 정도 . 효율 증진을 위해서는 전지와 스택 구성품의 지속적인 개발과 종합 시스템 제어 필요 . 연료전지 반응 시 반응열을 냉각시켜야 하며 이때 생성되는 반응열을 이용하면 효율을 70%이상 높일 수 있다 .

알칼리형 연료전지 (AFC) 전해질로 진한 (85%) KOH 을 사용하는 고온용 (205 )℃ 과 묽은 (35-50%) KOH 를 사용하는 저온용 (<120 )℃ 이 있음 전해질은 매트릭스 ( 주로 석면 ) 안에 체류시켜 사용 CO2 에 취약하므로 순수한 수소와 산소를 사용해야 됨 반응 속도를 촉진시키기 위해 주로 고압에서 운전 아폴로 우주왕복선에서 이용

<UTC Power 사의 AFC 시스템 > <AFC Stack>

알카리형 연료전지 (AFC)

전해질로 수산화칼륨과 같은 알칼리 사용 . 연료는 순수 수소를 쓰며 , 산화제는 순수 산소 사용 . 운전 온도는 대기압에서 60 120 . Anode ∼ ℃ 촉매는 니켈망에 은 코팅 + 백금 -납 , Cathode 는 니켈망에 금 코팅 + 금 - 백금 . 고효율화 목적은 자동차용 . 이산화탄소에 민감하기 때문에 인산형 연료전지 개발보다 늦게 개발 시작

고분자 전해질형 연료전지 (PEMFC) 고분자 막을 전해질로 이용한 연료전지 촉매로 백금을 사용함으로써 비교적 고가 저온에서 운전됨으로써 시동성이 우수 고체 막을 전해질로 사용함으로써 취급이 용이 자동차 , 가정용으로 주로 개발 중 2010 년 이후 실용화 가능할 것으로 전망

< 연료전지 자동차의 개념도 > < 혼다의 PEMFC Stack>

수소 탱크FC 시스템

냉각 장치

배터리

고분자 전해질형 연료전지 (PEMFC)

전해질이 액체가 아닌 고체 고분자 중합체 (Membrane) 로 다른 연료전지와 구별 . 인산 / 알칼리형 연료전지 시스템과 비슷하게 멤브레인을 이용하며 촉매로 백금 사용 . 백금 촉매는 일산화탄소에 의한 부식에 민감하므로 일산화탄소의 농도는 1000ppm 이하로 유지 . 자동차용 상용화 연구 가속 중

PEMFC 구성 요소전해질과 접촉한 촉매 상에서 전기화학 반응 분리판 : 반응가스의 유로 제공 , 전기적 연결 개스킷 : 반응가스의 누출 방지 가스 확산층 : 반응가스의 원활한 공급 MEA: 고분자 전해질과 백금촉매의 접합체 전기화학 반응

MEA 그라파이트 분리판 개스킷

막전극접합체 (Membrane Electrode Assembly)

Anode/Membrane/Cathode 조합 = MEA: 연료전지 핵심부품 MEA 두께 = 사용 Membrane 두께 (20 ~ 200㎛ )+ 촉매량 촉매층을 다공성 기판에 침적시키고 , 막을 고온 압착하여 제작

gPROMS 모델 MEA < 실제 MEA, Gore>

PEMFC 기체 확산층 (Gas Diffusion Layer) 반응 기체가 흐름장 채널 (Flow Field Channel) 에서 촉매층으로 가는 통로 생성된 수분이 촉매층으로 부터 흐름장 채널로 가는 통로 촉매층과 분리판을 전기적으로 연결 , 전자가 흐르는 통로 전기화학 반응에 의해 발생한 열을 분리판으로 전도하여 열 제거 MEA 를 기계적으로 지지 두께 17~40 ㎛ , 밀도는 0.21~0.73 g/cm2, 세공율 (Porosity) 70~80%

Carbon Cloth, E-TEK

PEMFC 분리판 (Bipolar Plate) Fuel, Air 및 냉각수의 유로 형성 . 전자 이동 통로 역할 여러 셀을 직렬로 전기적 연결 역할 , 전기전도도가 우수해야 됨 스텍 구조적 지지체 역할 . 적절한 강도와 가벼워야 됨 냉각 유로로의 열 이동에 적당한 열적 도체

분리판의 다양한 유로 형태

PEMFC Stack 스택은 여러 단위 셀을 쌓은 것 . 셀의 Cathode 는 인접 Cell Anode와 연결 반응물이 각 셀 및 셀 내부로 균등하게 분배되도록 설계 Cell 적층 시 동일한 압력에 의한 체결 필요 (누설 및 휨 현상 방지 ) 연료전지 스택 경우 발생하는 열의 능동적 제거 필요함 (강제 냉각 필요 )

PEMFC Stack 개념도 Intelligent Energy 사 스택

Fuel

Flow Field Plates

Air

MEA

용융 탄산염형 연료전지 (MCFC) 알칼리 (Li, Na, K) 탄산염의 조합으로 구성된 전해질을 LiAlO2 의 세라믹 매트릭스에 체류시켜 사용 탄산 이온이 전도성을 띄는 600~700 ℃ 에 용융염으로 운전 귀금속 촉매 불 필요 발전용으로 준 산업화되어 실험 단계

<FCE 사의 MCFC 발전시스템 > <MCFC 의 구성 요소 >

Matrix

Fuel

Anode Bipolar Plate

Oxidant

용융 탄산염형 연료전지 (MCFC)

전해질은 저 용융점의 탄화 리튬 + 탄화 포타슘 혼합물 . 전극은 다공성 니켈로 만든다 . 전극 부식성과 내구성이 주 애로점 . 장점은 일산화탄소 , 이산화탄소 및 수소에 대하여 내성 보유 , 분리하는 공정이 줄어 초기 투자비가 낮고 시스템 설계가 단순 . 운전 온도는 약 650 . ℃ 전지 스택 열로 내부 탄화수소 기체의 개질을 허용하므로 . 30% 또는 그 이상의 비용 감소 . 운전 안정성과 유효 수명이 단점

고체산화물형 연료전지 (SOFC) 탄화수소를 직접 연료로 사용 가능하며 , CO 로부터 안전 운전 온도는 약 500~1000 ℃ 로 열병합 발전 가능 재료간의 열팽창의 차이에 의한 기계적 변형 방지 필요 상업적으로 발전설비 , 자동차 등의 응용을 위해 개발 중 고온에서 운전됨으로 Gas Turbine 과 연계한 고효율 시스템 구현 가능

Siemens 열병합발전용 SOFC 시스템과 HPD5 와 Delta9 SOFC 스텍

고체산화물형 연료전지 연료전지 (SOFC)

탄화수소를 직접 전기로 변화시키는 특징 . 전해질은 산화 이트늄 . Cathode 는 안정 산화 이트늄으로 된 지르코늄 , Anode 는 니켈 + 지르코늄 세라믹 합금 . 운전 온도는 약 1000℃ 로 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화 반응이 일어나 촉매 없이 연료가 개질 된다 . 1000℃ 에서 열적 - 기계적 강도를 견디는 금속을 요구하기 때문에 가스 누출 방지가 가장 중요한 애로 . 세라믹 재료 기술 개발이 상업화에 필요한 기술 . 자동차 응용에 연구 중

직접메탄올연료전지 (DMFC)

메탄올을 직접 , 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템 . 전해질은 이온 교환막에 인산을 담지 시킨 것 . 작동 온도는 150℃ 로 비교적 저온 . PEFC 와 비교하여 개질기를 제거할 수 있으며 , 시스템의 간소화와 부하 응답성의 향상의 장점 . 반응 속도가 낮아 출력 밀도가 낮고 , 다량 백금 촉매 사용과 메탄올과 산화제의 Cross Over( 고체 고분자 막을 통과 ) 등의 단점

직접메탄올연료전지 (DMFC) 메탄올을 직접 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템 전해질은 수소이온교환막을 사용하며 , 촉매로 Pt-Ru 사용 메탄올의 화학 반응이 느리므로 출력이 낮고 , 메탄올의 Crossover에 의 한 손실 등의 단점 소형 휴대용 전자기기의 전원으로 개발 중 비행기의 메탄올 소지 금지 등의 규제로 개발 약화

<DMFC 를 이용한 이동형 전원 ><DMFC Stack>

연료전지의 응용 분야

쮸부 발전의 200kW PAFC발전기

도쿄가스의 200kW PAFC발전기

간사이 발전소의 200KWPAFC 발전기

발 전 용

인산형 연료전지 (PAFC): 200도 C 용융탄산염 연료전지 (MCFC): 600도 C 고체산화물 연료전지 (SOFC): 1000도 C 수백 KW- 수 MW급의 대형 발전용 연료 = 수소 , 천연가스 , LPG, 가솔린 등

매직 큐브 , 한달 사용노트북 전지 , 지갑용

휴 대 용

직접 메탄올 연료전지 (DMFC): 상온고분자 전해질 연료전지 (PEMFC): 상온수십 W급 이하의 휴대용 전원연료 =메타놀 , 수소

휴대용FC for Laptop

Fraunhofer Miniature

H Power FC for VC

H Power FC for VC Laptop

가 정 용Fuel Processor 를 이용하여 화석연료로부터 수소를 생산하고

가정에서 필요로 하는 전기와 열 공급

한국이 건조키로 한 독일 HDW 사의 214 급 잠수 연료전지를 내장해 2 주까지 물 속에 버틸 수 있다

수 송 용

고분자 전해질 연료전지 (PEMFC) : 운전 속도 =80 도 C수십 KW 급 자동차용 전원

연료 = 수소 , 천연가스 , LPG, 가솔린 등

산소 탱크

모터

디젤 발전기

연료 전지축전지

연료전지 자동차

수소 탱크FC 시스템

냉각 장치

배터리

Fuel Cell Vehicle-Honda

미래 우주에서의 연료전지 사용 예

발전 전망 및 문제점 향후 연료전지의 시장형성 전망

주택용 , 휴대용 → 자동차용 → 발전용 순으로 상용화 자동차용 : 인프라 구축 , 가격 경쟁력 및 대량 생산 기술로의 전화 시점 휴대용 : 안정성 ( 항공기 반입금지 ) 등 규제 강화 , 소형화 과제 해결 필요

연료전지의 보급의 확산으로 수소에너지 중심사회로 이행 2020 년경부터 수소에너지 전환이 본격화 2030 년부터는 모든 신제품에 연료전지가 탑재 될 것으로 전망 선진국을 중심으로 2040 년경부터 수소에너지 경제로 전환예상

연료전지의 문제점 높은 자본비용 재료선택의 제한성 연료보급과 저장 안전우려

요 약저공해 , 고효율의 연료전지 각광소재 개발 및 양산기술 개발 필요탄소 배출권 & 탄소시장 대비

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