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3. 수소 연료전지의 기본 구조 수소 연료전지는 전지의 본체인 스택과 연료전지에 원료를 공급하는 등의 주변 구조들로 구성됩니다. 스택 (Stack) : 수소와 산소를 반응시켜 전기를 생산 (단위 셀들을 적층)하는 연료전지 본체.
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신재생에너지원인 수소연료전지의 원리와 응용 – KoreaScience
연료전지는 물의 전기분해와 반대되는 원리로 물을. 전기분해할 때는 외부의 전기를 통해 물을 수소와 산소. 로 분해하는 반면에 연료전지는 수소와 산소를 전기 화. 학적 …
Source: koreascience.kr
Date Published: 12/16/2021
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1 수소연료전지란 무엇인가? 상위 176개 답변
수소 연료전지는 전지의 본체인 스택과 연료전지에 원료를 공급하는 등의 주변 구조들로 …
Source: you.covadoc.vn
Date Published: 3/5/2022
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수소 연료전지 원리와 구조 – 주식하는 똥개
수소 연료전지의 특성. 약 60% 수준의 전력변환 효율을 가지고 있으며, 전기를 만들며 부산물로 물과 열만 발생한다. 음극/양극 사이에 …
Source: hunter-trader.tistory.com
Date Published: 6/6/2022
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수소연료전지 자동차 구조 및 작동원리
수소연료전지의 기본구조는 고분자전해질 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 연료극(anode)과 공기극(cathode)이 부착되어 있는 형태로 되어 있습니다. 재료 …
Source: sorozon.tistory.com
Date Published: 5/18/2021
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- Author: 헬로! 서울경인 – LG HelloVision
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- Date Published: 2021. 6. 28.
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[수소 산업] 수소연료전지 원리와 구조, 종류 (Fuel Cell)
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1. 연료전지 (Fuel Cell)의 개요
연료전지는 내부 연료가 되는 물질을 촉매에 의한 화학 반응을 통해 지속적으로 전기를 생산할 수 있는 발전기 (에너지 변환 장치)로 3차 전지라고도 합니다.
외부에서 직접 전기 에너지를 충전해줘야하는 2차 전지와 달리 연료 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있으며, 에너지 변환 과정 중에 발생하는 열 에너지를 직접 사용할 수 있다는 장점이 있습니다.
연료로 사용되는 물질은 수소, 탄화수소(석유, 천연 가스, LPG), 탄화수소 화합물(알코올, 메탄올, 나프타, 등유, 바이오매스) 등 다양하여 에너지 자원을 확보하기 쉽습니다.
특히 수소가 가지는 장점이 많아 연료전지의 대표 연료로 사용되고 있습니다.
수소는 급격히 연소 반응을 일으키는 가연성 연료로 효율이 약 40~60%이며 배출된 열을 사용할 수 있을 경우 최대 효율이 약 83% (석유의 약 3배)에 달하는 높은 효율의 에너지원 입니다. 또한 화학 반응의 부산물로 물을 만들어내는 친환경 연료이며 우주에서 수소가 차지하는 비율이 75%일 정도로 고갈 걱정이 없습니다.
2. 수소 연료전지의 기본 원리
수소 연료전지는 전기 에너지를 주입해 물을 수소와 산소로 분해하는 전기분해를 역으로 이용해 수소와 산소가 결합할 때 전기에너지를 발생하는 것을 사용합니다.
수소와 산소 분자는 각각 분자로 있을 때의 에너지보다 서로 결합하여 물이 되었을 때 에너지가 더 낮습니다.
따라서 수소와 산소는 서로 자발적으로 결합해 에너지를 낮추려고 합니다.
그러나 분자 상태에서는 서로 결합하지 않기 때문에 이온화를 시켜줘야하는데, 수소와 산소를 이온화하는데 필요한 활성화 에너지가 수소 이온과 산소가 환원되는 반응의 활성화 에너지에 비해 매우 낮기 때문에 반응이 쉽게 일어날 수 있습니다. 촉매를 이용하면 활성화 에너지를 더 낮춰 반응 속도를 더 빠르게 만들 수 있습니다.
수소와 산소의 결합 반응 그래프
위 화학 반응에 대한 조금 더 전문적인 설명은 https://m.blog.naver.com/ycl2k/221446553544에 자세하게 설명되어 있습니다.
수소 연료전지는 위와 같이 수소-산소의 산화, 환원 반응을 이용합니다.
수소 분자를 음극인 Anode (연료극)에 넣어주면 산화반응에 의해 수소 이온과 전자로 분해됩니다.
산소 분자는 양극인 Cathode (공기극)으로 넣어줍니다.
수소 이온은 전해질을 통해, 전자는 전선을 통해 산소가 있는 Cathode로 이동하고, 산소와의 환원반응에 의해 물이 생성됩니다. 이때 전자의 이동으로 인해 전류가 발생해 이론적으로 수소 분자 하나당 1.23V의 기전력이 생성되게 됩니다.
수소 연료전지의 기본 원리 (출처 : 고대신문, https://www.kunews.ac.kr/news/articleView.html?idxno=25225)
각 전극에서의 반응식을 정리하면 아래와 같습니다.
$$Anode (-극) : 2H_2 \rightarrow 4H^+ + 4e^-$$
$$Cathode (+극) : O_2 + 4H^+ + 4e^- = 2H_2O$$
$$전체 반응 : 2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + 전기 에너지$$
$$발생 기전력 : E_0 = 1.23V$$
연료전지 발전 시스템 구성도 (출처 : 한국투자증권)
3. 수소 연료전지의 기본 구조
수소 연료전지는 전지의 본체인 스택과 연료전지에 원료를 공급하는 등의 주변 구조들로 구성됩니다.
스택 (Stack) : 수소와 산소를 반응시켜 전기를 생산 (단위 셀들을 적층)하는 연료전지 본체.
한 개의 셀이 약 0.7V의 전기를 생산하며 스택이 수소차 생산비의 약 40%를 차지 합니다.
수소와 산소를 반응시켜 전기를 생산 (단위 셀들을 적층)하는 연료전지 본체. 한 개의 셀이 약 0.7V의 전기를 생산하며 스택이 수소차 생산비의 약 40%를 차지 합니다. 개질기 (Fuel Reformeer) : 화학적으로 수소를 함유하는 일반 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스 등)로 부터 수소를 추출하는 장치
화학적으로 수소를 함유하는 일반 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스 등)로 부터 수소를 추출하는 장치 연료 공급기 (M-BOP, Mechanical Balance of Plant) : 수소와 산소를 스택에 공급
수소와 산소를 스택에 공급 전류 변환기 (E-BOP, Electrical Balance of Plant) : 스택에서 발생된 직류 전류를 교류로 변환하여 공급
스택을 구성하는 단위 셀의 구조는 아래와 같습니다.
막-전극 접합체 (MEA, Membrane Electrode Assembly) : 전해질막과 전극의 접합체. 수소연료전지 원가의 약 43% 를 차지한다.
전해질막과 전극의 접합체. 수소연료전지 원가의 약 43% 를 차지한다. 전해질막 (Membrane) : 연료와 공기의 직접적인 접촉을 분리하고 수소 이온의 이동을 담당한다. 탄화수소계와 불소계 전해질막이 있으며, 최근 불소계 전해질막을 주로 사용한다.
연료와 공기의 직접적인 접촉을 분리하고 수소 이온의 이동을 담당한다. 탄화수소계와 불소계 전해질막이 있으며, 최근 불소계 전해질막을 주로 사용한다. 촉매 : 수소와 산소의 산화/환원 반응을 빠르게 활성화해서 각 이온으로의 분리가 쉽게 되도록 한다.
수소와 산소의 산화/환원 반응을 빠르게 활성화해서 각 이온으로의 분리가 쉽게 되도록 한다. 전극 : 수소와 산소가 전자를 주고 받을 수 있도록 한다.
수소와 산소가 전자를 주고 받을 수 있도록 한다. 가스 확산층 (GDL) : 연료전지 원가의 약 21%를 차지. 공급된 연료와 공기를 MEA로 원활하게 전달하고, 생성된 전기를 수집한다. 다공성 탄소지나 탄소섬유로 제작한다.
연료전지 원가의 약 21%를 차지. 공급된 연료와 공기를 MEA로 원활하게 전달하고, 생성된 전기를 수집한다. 다공성 탄소지나 탄소섬유로 제작한다. 분리판 : 연료 공급, 내부 열 관리, 셀 적층 시 단위 셀 간 격리를 하며, 생성된 물을 배출한다. 주로 알류미늄이나 티타늄, 스테인리스, 흑연 소재 등을 사용하여 제작한다. 연료전지 원가의 약 18% 차지.
연료 공급, 내부 열 관리, 셀 적층 시 단위 셀 간 격리를 하며, 생성된 물을 배출한다. 주로 알류미늄이나 티타늄, 스테인리스, 흑연 소재 등을 사용하여 제작한다. 연료전지 원가의 약 18% 차지. 가스켓 : 가스 누출 및 연료 섞임을 방지한다. 연료전지 원가의 10% 차지
4. 수소 연료전지의 종류
수소 연료전지는 전해질의 종류 및 구동 온도에 따라 다음과 같이 분류할 수 있습니다.
전해질 종류에 따른 분류
– PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) : 폴리머 연료전지
Dupont 社에서 제작된 PFSA 수지가 주로 사용되며 시장 점유율 약 70%를 차지하고 있다.
연료전지의 막은 기본적으로 산화 반응으로 발생하는 화학적 열화로 인해 내구성이 감소하는데, PFSA로 제작된 막은 화학적으로 안정된 구조를 가져 내구성이 높다.
PEMFC는 액체 상태의 물이 존재하는 환경에서도 높은 이온 전도성을 유지할 수 있으나 고온에서는 건조 현상이 발생하여 이온 전도성이 떨어져 연료 전지 성능이 감소한다.
따라서 PEMFC의 구동 온도는 80ºC ~ 110ºC 이내의 비교적 저온에서 작동하며, 전도성이 좋은 백금 촉매를 사용한다.
이 밖에 높은 전류밀도를 갖고, 소형화 및 경량화가 가능하기 때문에 차량용 등에 적합하다.
PEMFC 관련 기업 포스팅도 참고 부탁드립니다.
[수소 산업] 상아프론테크 분석 (연료전지 관련 기업) [수소 산업] 에스퓨얼셀 분석 (연료전지 관련 기업)– 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.
전해질에 따른 연료전지의 분류 및 특징 (출처 : 현대차증권 리포트)
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.
연료전지 시장 분류 (출처 : 한국투자증권)
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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.
용융탄산 염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC )
용융탄산염 연료전지(MCFC)는 다른 형태의 연료전지와 마찬가지로 높은 열효율, 높은 환경친화성, 모듈화 특성 및 작은 설치공간이라는 장점을 갖습니다. 한편, 650℃의 고온에서 운전되기 때문에 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 추가적인 장점들을 갖고 있습니다. 고온에서의 빠른 전기화학반응은 전극 재료에 쓰이는 촉매로써 백금 대신 저렴한 니켈의 사용을 가능케 하여 경제적인 생산이 가능해지고 있습니다. 그리고 백금 전극을 이용할 경우 백금 성분에 독성 물질로 작용하는 일산화탄소마저도, 니켈 전극을 이용할 경우 수성가스 전환반응을 통하여 연료로 이용할 수 있게 되었습니다. 따라서 일산화탄소를 발생시킬 우려가 있어 백금을 이용하는 저온형 연료전지에는 사용하기 힘든 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스 등 꽤나 다양한 연료를 MCFC에는 이용할 수 있는 장점이 있습니다. 그리고 HRSG(Heat Recovery Steam Generator) 등을 이용한 bottoming cycle로 양질의 고온 폐열을 회수 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 약 60% 이상으로 제고시킬 수 있습니다. 또한, MCFC의 높은 작동 온도는 연료전지 스택 내부에서 전기화학반응과 연료개질반응이 동시에 진행될 수 있게 하는 내부개질 형태를 허용합니다. 이러한 내부개질형 MCFC는 전기화학반응의 발열량을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하므로 외부개질형 MCFC보다 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하며, 시스템 구성이 간단해집니다.
그러나 MCFC는 고온에서 부식성이 높은 용융탄산염을 사용하기 위한 내식성 재료의 개발에 따르는 경제성 문제 및 수명, 신뢰성 확보 등 기술적 검증이 아직 끝나지 않아 본격적인 상업화는 2005년 이후에나 가능하리라고 우리는 예상하고 있습니다. 미국, 일본 등을 비롯한 선진외국에서는 기초연구는 물론 시스템 데모에 이르는 개발연구에까지 적극적으로 투자하여 최근 급속도로 많은 발전이 이루어지고 있습니다. 국내에서도 한전 전력연구원을 중심으로 KIST, 한국중공업 및 여러 대학이 참여하여 용융탄산염 연료전지의 자체 기술을 확보하기 위한 개발 연구를 대체에너지 및 선도기술(G7) 사업의 하나로 진행하고 있는 실정입니다.
고분자전해질 연료전지 (Proton Exchange Membrane FC, PEMFC )
수소이온 을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100℃ 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단한 장점을 가지고 있습니다. 또한 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템 입니다. 이와 같은 PEMFC는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용범위가 매우 다양합니다. PEMFC에 대한 연구는 1955년 미국의 GE에서 처음으로 시작되어 1962년에 이미 1kW급 PEMFC 스택 2개로 이루어진 모듈을 Gemini 우주선 3호부터 12호에 사용하였습니다. 이후로 PEMFC를 연료전지자동차 등 민간용으로 응용하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있습니다.
대기 오염의 주 원인인 내연기관 차량을 대체할 수 있는 무공해 자동차로는 원래 배터리를 동력원으로 하는 전기자동차가 각광을 받고 있었습니다. 그러나 배터리를 전기자동차 동력원으로 사용할 경우 충전 시 많은 시간을 요구하고, 에너지 밀도가 낮아 주행가능 거리가 짧으며 배터리의 수명이 짧은 문제점이 있습니다. 또한 전기자동차가 상용화된다면 많은 전기 충전소의 설치가 필요하며 여기서 사용되는 전기는 대규모 발전소에서 공급되므로 결국 오염원의 이동에 불과하다고 볼 수 있습니다. 따라서 전기자동차 동력원으로서의 배터리에 대한 단점을 보완하기 위하여, 연료전지 구동방식 또는 배터리와 연료전지를 동시에 사용하는 혼합형(hybrid) 자동차를 구성하는 방법이 최근에 각광받고 있습니다. 우리나라에서는 1990년대부터 대학을 중심으로 단위 전지에 대한 기초연구를 시작하였으며, KIST 연료전지연구센타에서도 1996년부터 고분자전해질 연료전지 원천기술 개발을 시작한 후 2000년 5kW 급 스택을 제작하여 연료전지/배터리 하이브리드 골프카트에 적용한 바 있습니다.
고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC )
3세대 연료전지 로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 1937년에 Bauer와 Preis에 의해 처음으로 작동되었습니다. SOFC는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 – 1000 ℃)에서 작동하게 됩니다. 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있습니다. 이러한 장점들 덕분에 SOFC에 관한 연구는 21세기 초에 상업화하는 것을 목표로 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있습니다.
일반적인 SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극, cathode) 및 연료극(음극, anode)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이 때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리 입니다.
직접메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC )
직접메탄올 연료전지(DMFC)는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양쪽에 각각 음극과 양극이 위치합니다. 음극에서는 메탄올과 물이 반응하여 수소 이온과 전자를 생성합니다. 생성된 수소이온은 전해질 막을 통해 양극 쪽으로 이동하고, 양극에서는 수소 이온과 전자가 산소와 결합하여 물을 생성시킵니다. 이때 전자가 외부회로를 통과하면서 전류를 발생시키는 것이 작동원리입니다. 실제 사용시에는 출력을 높이기 위해 이러한 단위전지를 여러 개 묶어서 스택을 만들어 사용하는데, 일반적인 연료전지의 스택에서는 양극판(兩極板, bipolar plate)을 사용하지만 마이크로 연료전지에서는 단극판(單極板, monopolar plate)을 사용합니다. DMFC는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 똑같은 구성요소를 사용하지만, 메탄올을 개질하여 수소로 만들 필요가 없이 직접 연료로 사용할 수 있기 때문에 소형화가 가능합니다. DMFC는 PEMFC에 비해 출력밀도는 낮지만, 연료의 공급이 용이하고 2차전지에 비해 높은 출력밀도를 갖기 때문에 자동차의 동력원으로서 2차전지를 대체할 수 있는 가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있습니다.
직접에탄올 연료전지 (Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC )
직접에탄올 연료전지(DEFC)는 직접메탄올 연료전지와 메커니즘은 같으나, 연료는 에탄올을 사용하며, 출력 전압은 0.5 ~ 45 V 가량의 연료 전지입니다. 2007년 5월 미국에서 20 ~ 45 V의 전압을 내는 직접에탄올 연료전지를 개발 하였습니다.
반응 메커니즘 : C 2 H 5 OH + 3H 2 O → 2CO 2 + 12H+ + 0.5V
인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC )
인산형 연료전지 (PAFC)는 액체 인산을 전해질로 이용하는 연료전지입니다.
전극은 카본지 (carbon paper)로 이루어지는데, 백금 촉매를 이용하기 때문에 제작 단가가 높습니다. 그리고 카본지의 백금은 연료로 공급되는 수소 가스 내의 불순물인 일산화탄소에 의해 손상되기 쉬운 단점이 있습니다. 또한, 액체 인산은 40℃에서 응고되어 버리기 때문에 시동이 어려우며, 지속적인 운전 또한 제약이 따르는 문제도 있습니다. 그러나 150~200℃의 운전 온도에 이르게 되면 반응 결과물로 생성되는 물을 증기로 바꾸어 공기나 물의 가열에 이용할 수 있습니다. 이렇게 발생되는 열과 전력을 합했을 때 전체 효율은 80%에 이르며, 고정형 연료전지 시장에서 그 입지를 넓혀 가는 중입니다.
2003년부터 시작된 호라이즌퓨얼셀그룹의 기술개발은 아래와 같습니다.
호라이즌은 2016년 하반기를 시작으로, 소형 상용차, 지게차, 무인 드론, 무인잠수정 로봇 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 연료전지 솔루션을 공급합니다. 뿐만 아니라, 수소의 인프라망에 제약받지 않는 LNG, Methanol 등 다양한 개질 솔루션을 개발중에 있습니다. 2017년부터 100kW 급 이상의 중형 Propulsion Fuel Cell 을 시장에 공급할 예정입니다.
( 확대보기 이미지클릭 )
16. 연료전지의 구조
16. 연료전지의 구조
연료전지 구조
연료 전지 본체는 “셀 스택” 이라고 합니다
연료 전지 본체를 들여다 보면, 층층이 접시 같은 것이 많이 쌓여 있습니다.
이를 ‘셀’ 이라고 합니다.
하나의 셀을 만들 전기는 전압 약 0.7V (볼트) 입니다.
그래서 큰 전기를 만들기 위해 셀을 많이 쌓아야 합니다. 건전지를 직렬로 연결 것과 같은
것입니다. 연료 전지 본체는 셀을 쌓을 수 있기 때문에 “셀 스택” 이라고 합니다.
예를 들어 1kW(킬로와트)의 전기를 만들려면 50 장 정도의 셀을 쌓아야 합니다.
셀과 셀 사이에 “세퍼레이터”가 있습니다. 한편으로는 수소와 산소의 통로를 분할하기도
하고 또 전기적으로는 연결하는 역할을 하고 있습니다.
셀
셀은 연료 전지를 만드는 단위로, 단전지(單電池) 라고도 합니다.
셀은 샌드위치 같은 구조를 하고 있습니다.
플러스 전극 (= 공기극)과 마이너스 전극 (= 연료극)가 전해질을 끼고 있습니다.
아래 그림은 건전지 처럼 평평하게 보이는 이미지입니다.
연료 전지의 포인트는 이것입니다.
공기극과 연료극은 기체를 통과 시키는 구조를 하고 있고, 반응에 필요한 산소와 수소가
그 속을 통과합니다.
수소 전극중에 촉매의 작용으로 전자를 분리하여 수소 이온 됩니다. 전해질은 이온 밖에
통과시키지 못하는 성질을 가지고 있기 때문에 분리 된 전자 만 나갑니다.
전해질 속을 이동 한 수소 이온은 반대편 전극으로 보내진 산소와 외부에서 전선 (외부 회로)를
통해 돌아 옵니다. 그것은 다시 전자와 반응하여 물이 됩니다.
이 “반응에 관여하는 전자가 외부 회로를 통과하는 것이 원칙적으로 중요한 포인트입니다.
전자가 전선을 이동하는 것은 전류가 흐르는 것이 되고, 즉 전기가 발생한다는 것이 됩니다.
원리 : (주)두산 퓨얼셀 파워
인사말 안정적이고 깨끗한 고효율의 연료전지 보급에 앞장서도록 하겠습니다.
비전 최고의 제품과 기술력을 바탕으로 고객가치를 창출하는 연료전지분야의 Global Top 기업으로 성장해 나가겠습니다.
역사 국내 연료전지 시장의 선두주자인 (주)두산 퓨얼셀 파워의 발자취입니다.
품질경영 (주)두산 퓨얼셀 파워는 연료전지 업계 최초로 2006년 품질경영체제 ISO 9001과 2014년 녹색기술 인증서를 획득하였습니다. 지속적인 고객 니즈를 파악하여 생산, 품질, 제품공정 및 검사방법을 효과적으로 개선을 하여 최상의 고객 만족 수준을 유지하기 위해 노력하고 있습니다.
수소연료전지차 구성및기본원리
가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 얻은 전기를 이용해 모터를 구동하는
방식으로 운행하는 친환경 자동차.
[수소연료전자차구조]
수소 연료 전지 차는 수소와 산소의 화학 반응에서 생기는 전기를 이용하여 달리는 자동차를 말한다.
대부분의 자동차는 휘발유, 즉 화석 연료에 의존하여 동력을 얻을 수 있었다. 자동차와 같은 개념이 없던 시절에는 화석 연료를 이용한 자동차가 ‘대단한 개발’이었지만, 시간이 지날수록 그 문제점이 대두되었다.
무엇보다 화석 연료는 채취할 수 있는 양에 한계가 있을 뿐만 아니라 연소 과정에서 대기 오염을 유발시킨다는 문제가 있기 때문이다.
이러한 배경 가운데, 자원의 양에 제한을 받지 않으면서 환경오염을 유발시키지 않는 에너지 체계, 동력 체계를 만들기 위한 연구가 계속되고 있다.
그리고 그 결과물 중에 하나가 바로 수소 연료 전지 차이다. 수소와 산소의 화학 반응을 이용한 것인데, 이 두 화학 물질의 반응을 잘 활용하면 전기를 생산해 낼 수 있다.
여기서 발생한 전력으로 자동차를 움직이게 만드는 것이다. 수소와 산소는 구하는 것이 어렵지 않을 뿐만 아니라, 화학 반응 과정에서 어떠한 오염 물질도 발생시키지 않는 장점이 있다.
[ 내연기관자동차와 수소연료전지자동차비교 ]
연료전지의 기본 원리
수소연료전지의 기본구조는 고분자전해질 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 연료극(anode)과 공기극(cathode)이 부착되어 있는 형태로 되어 있다.
재료만 다를 뿐 보통의 전지 구조와 흡사합니다. 양극에선 수소가 이온화되며 전자를 내놓는데, 이 전자는 중간의 전해질을 통해 음극으로 이동하고 그곳에서 공기와 반응해 물을 만든다.
이 때 전자가 이동하는 과정에서 우리가 얻고자 하는 전기에너지가 발생하는 것입니다.
우리가 사용하는 수소연료전지는 양극, 음극, 전해질로 구성된 하나의 단위전지가 여러 개 겹쳐진 적충구조를 이루고 있다.
전류는 단위전지 면적에 따라 전압은 저장을 하고 단위전지 개수에 따라 조절되므로 수소연료전지는 전력을 자유자재로 결정할 수 있다는 장점도 있다.
[연료전지의 기본 원리]수소 생산방법
지금까지 가장 널리 이용되는 수소에너지 생산방법은 천연가스에 포함된 메탄의 수증기 개질법이다. 니켈 촉매에 반응하면서 수소와 일산화탄소로 분해하는 것이다.
물에 1.75V 이상의 전류를 흘려서 양극에서 수소가, 음극에서 산소가 발생하도록 하는 전기분해법도 널리 쓰인다. 석탄의 가스화 공정이나 원유의 정제과정, 황산취화철 화학공정 등에서도 수소를 얻을 수 있다. [ 한겨레21 ]
철강 제조로부터 수소 생산특허
인도의 철강회사인 Tata Steel사는 자사 플랜트에서 수소를 생산할 수 있는 상업공정을 테스트할 계획이다. 인도 Tata Steel사의 연구개발부인 Jamshedpur는 철 부산물을 이용하여 수소를 생산하는 방법을 개발하였다.
수소 채취(hydrogen harvesting)로 명명된 이 공정에서 물은 1,600도로 가열된 슬래그(slag) 위에 분사되어 수소와 산소로 분열된다. Tata Steel사의 연구개발부 부장은 이 공정의 수율이 70퍼센트 이상이라고 예측하였다. Tata Steel사는 첫 단계로 추출공정에 대한 특허를 취득하였다.
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포스코, 전기차 전담팀 구성… 소재부터 배터리까지 토탈솔루션
현대제철, 수소차용 금속분리판 설비 증설… 부생수소도 확대
수소연료탱크
탱크제조사일진다이아
수소차,폭발하면 어떡하죠?
산자부브리핑
수소 연료 전지 구조 | 1 수소연료전지란 무엇인가? 상위 176개 답변
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수소 연료전지 원리와 구조
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미국 에너지부에 수소연료전지와 관련된 좋은 게시물들이 많아 해당 내용들을 참조했습니다.
https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-and-fuel-cell-technologies-office
아래 글은 수소연료전지에 대한 미 에너지부의 글을 번역하고 내용을 좀 덧붙인 글입니다.
https://www.energy.gov/eere/fuelcells/parts-fuel-cell
수소 연료전지의 특성
약 60% 수준의 전력변환 효율을 가지고 있으며, 전기를 만들며 부산물로 물과 열만 발생한다. 음극/양극 사이에 전해질이 끼어있고, 음극에 수소를 공급해 양극에서 산소와 결합하며, 그 과정에서 전기가 발생하는 원리. 어떤 전해질을 사용하는지에 따라서 연료전지의 종류가 나뉩니다. 이 중 차량용으로 주로 개발되고 있는 PEMFC에 대해서 주로 글을 작성하려 합니다.
연료전지 종류에 따른 장단점 비교, 다음 페이지 참조: https://www.energy.gov/eere/fuelcells/types-fuel-cells
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PEM 연료전지의 구조
현재 차량용으로 개발되고 있는 것은 주로 PEM* 연료전지입니다. PEM 전지는 MEA**로 구성되어있는데, MEA는 전해질 막과 음극/양극의 집합체를 말합니다. 전해질 막은 양성자, 수소이온만을 통과시킬 수 있는 얇은 막을 말하는데, PEM이 이런 특징을 의미합니다. 양극과 음극에는 각기 카본 막에 백금 촉매가 도포되어 수소와 산소 분자의 분리를 돕습니다. 아래 간단하고 이해하기 쉬운 그림이 있어 공유합니다. [링크]
* (PEM: Polymer Electrolyte Membrane, 고분자 전해막 연료전지 / 또는 Proton Exchange Memb. 양성자 교환막)
** (MEA: Membrane Electrode Assembly, 막 전극 조립체)
전해막과 음극/양극 겉에는 부산물인 물이 지나치게 쌓이는 것을 막고, 기체(산소/수소)의 이동을 쉽게 하는 Gas Diffusion Layer가 있습니다. 주로 카본 섬유에 소수성인 테플론을 코팅한 소재입니다. 열을 제거하는 역할도 합니다.
그 겉에는 분리막(Bipolar Plates)가 있습니다. 연료전지 내에 개별 MEA는 1볼트 이내의 전력을 만들어내어 일반적인 용도에 사용하기에 턱없이 부족합니다. 일반적으로 개별 연료전지를 수백개 정도 적층하여 사용하는데, 이를 연료전지 스택이라고 합니다. 이렇게 여러개 쌓은 연료전지 사이를 분리하는게 분리막입니다. 분리막은 흑연, 금속 등 여러 소재로 만들 수 있는데, 셀 간 전기적 전도성을 제공하고, 연료/공기가 흐르게도 합니다.
연료전지 시스템에 필요한 구성 요소들
연료전지 스택 외에도 연료전지의 작동을 위해 필요한 부속들이 있습니다. 순수 수소가 아니라 수소를 포함한 기존 연료를 사용하는 경우 연료개질기가 전지에 포함되기도 합니다. 연료전지 개질기에서는 별도로 다루도록 하겠습니다.
그 외 필요한것 중 하나는 가습기입니다. PEM연료전지의 핵심인 PEM은 건조한 상태에서는 정상적으로 작동하지 않습니다. 어느정도 습해야 원활하게 작동하는데, 이를 유지하기 위해 가습기가 필요합니다. 연료전지 작동에서 발생하는 수분을 주로 재활용하게 됩니다.
두 번째로 공기압축기도 주로 사용됩니다. 반응대상인 기체의 밀도가 높을수록 연료전지의 효율이 올라가는데, 일반 대기압의 약 2~4배정도 압력을 가지도록 공기를 압축해 보내게 됩니다. 또한 이 압축된 공기가 배출될 때 에너지 회수를 위한 장치도 같이 설치됩니다.
PEM 연료전지의 비용
https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/17007_fuel_cell_system_cost_2017.pdf
연료전지의 대량 생산시, 촉매(백금)과 분리막(스테인레스 스틸)의 비용의 비중이 점점 높아집니다. 생산량 증가에 따라 원재료비가 감소하지 않고 있기 때문인데, 백금 자체가 단가가 높아 이를 줄이기 위한 노력이 주된 과제라고 합니다.
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수소연료전지 자동차 구조 및 작동원리
수소연료전지자동차의 구조 및 작동 원리
개요
수소연료전지 자동차는 연료전지로부터 생산된 전기로 구동되는 전기자동차의 일종입니다. 모터에서부터 바퀴에 이르는 구조는 기존의 전기자동차와 같은데, 기존의 전기자동차와는 달리 저장된 전기를 사용하는 것이 아니라 전기를 만들면서 모터를 돌려 차량을 달리게 하는 것입니다. 그렇지만 연료전지만으로는 전기를 만들 수는 없고 연료전지 주위에 운전에 필요한 주변장치(Balance of Plant, BOP)들을 장착해서 이 장치들이 자동차의 운전 상황에 따라 연료전지에 필요한 양의 연료와 공기를 공급해 주고, 적절한 온도를 유지하기 위해 냉각수도 돌려주게 됩니다. 이렇듯 연료전지와 연료전지를 구동시키는데 필요한 주변장치들을 합쳐서 연료전지 시스템이라고 말합니다.
수송용 연료전지 중에 자동차의 주동력으로 사용되는 연료전지는 대표적으로 프로톤 교환막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrain Fuel Cell. PEMFC)이며 기본이 되는 연료는 수소입니다. 수소 이외에 메탄올, 가솔린, 디젤, 천연가스와 같은 연료를 사용할 경우에는 이들 연료로부터 수소를 생산하기 위해 별도의 연료변환기를 장착해야 합니다.
<수소연료전지자동차 구조>
연료전지 자동차 개발 초기에는 연료 변환기가 장착된 시스템의 연구가 활발하였으나 시간이 지나면서 연료 변환장치를 자동차에 장착하지 않고 수소 충전소에서 연료 변환을 통해 생산된 수소를 충전하는 방식으로 연료 공급의 개념이 바뀌고 있습니다. 현재는 고압 수소 탱크를 사용하여 연료변환장치 없이 직접 가압된 수소를 연료로 사용하는 것이 일반적인 추세입니다. 그림은 수소 연료전지자동차의 구조를 나타낸 것입니다.
연료에서 구동에 이르기까지의 에너지 흐름의 관점에서 보면 연료 저장 시스템, 연료전지발전시스템, 전기 동력시스템으로 나눌 수 있습니다. 고압수소탱크에서 연료전지로 연료인 수소가 공급되며 전기화학 반응에 필요한 산소는 대기 중의 공기로부터 공급됩니다. 한번 연료전지 스택에 공급된 수소는 대기 중으로 방출 되는 것이 아니라 수소 이용률을 높이기 위해 수소탱크의 수소와 혼합되어 다시 연료전지 스택에 공급됩니다. 이런 방법을 통해 연료의 소비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 대량의 수소가 공기 중으로 방출되어 발생할 수 있는 위험을 줄일 수 있습니다. 공기와 수소의 반응에 의해 연료전지 스택에서 생성된 직류 전기는 인버터를 통해 교류 전기로 바뀐 뒤 전기 구동모터에 공급됩니다. 구동 모터에서 발생되는 회전 운동 에너지는 감속기를 통해 적절한 회전수로 감속되어 바퀴에 전달됩니다.
<내연기관과 수소연료전지자동차 비교>
연료전지시스템을 좀 더 상세히 살펴보면 자동차의 엔진역할을 하는 연료전지 발전모듈에 연료인 수소를 공급하기 위한 연료공급계, 산화제인 공기를 공급하기 위한 공기 공급계 및 연료전지 발전모듈과 연료전지시스템의 열/물 관리를 위한 열 및 물 관리계, 연료전지시스템의 운전/제어를 위한 연료전지 제어기 및 제어 기술부로 구분할 수 있습니다.
연료전지자동차의 동력발생은 연료전지가 전기에너지 외의 별도의 기계적인 구동력을 발생시키지 않기 때문에 회전력을 필요로 하는 모든 샤시 부품들이 전기로 구동됩니다. 워터펌프, 에어콘 컴프레셔 등은 전기모터로 구동되며 진공을 형성하기 위해 별도의 진공펌프가 필요합니다. 이러한 전기 구동모터 및 장치들을 운전하기 위해서는 각 부품들의 전압 사양을 맞추어 주어야 합니다.
연료전지의 기본 원리
수소연료전지의 기본구조는 고분자전해질 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 연료극(anode)과 공기극(cathode)이 부착되어 있는 형태로 되어 있습니다. 재료만 다를 뿐 보통의 전지 구조와 흡사합니다. 양극에선 수소가 이온화되며 전자를 내놓는데, 이 전자는 중간의 전해질을 통해 음극으로 이동하고 그곳에서 공기와 반응해 물을 만듭니다. 이 때 전자가 이동하는 과정에서 우리가 얻고자 하는 전기에너지가 발생하는 것입니다.
우리가 사용하는 수소연료전지는 양극, 음극, 전해질로 구성된 하나의 단위전지가 여러 개 겹쳐진 적충구조를 이루고 있습니다. 전류는 단위전지 면적에 따라 전압은 저장을 하고 단위전지 개수에 따라 조절되므로 수소연료전지는 전력을 자유자재로 결정할 수 있다는 장점도 있습니다.
<연료전지 원리>
수소연료전지자동차의 구조
연료전지자동차는 연료전지 스택, 연료전지 주변장치(공기압축기, 열교환기 등), 연료공급장치, 보조동력원, 그리고 모터 및 모터 제어기로 구성되어 있습니다.
1) BOP(Balance of Plant)
내연기관에는 연료 및 공기 공급, 냉각, 배기를 위한 장치로 구성된 엔진 운전 장치가 있듯이, 연료전지 발전 시스템에도 같은 기능을 하는 연료전지 운전 장치가 있는데, 열 및 물질 수지 개념을 중요시하는 화학 공정에서는 이를 BOP라 한다.
① 공기공급계(APS: Air Process System)는 연료전지 스택에 수소와 반응을 할 공기(산소)를 공급하는 시스템으로 에어클리너, 공기공급기(Air Blower 또는 Air compressor)등으로 구성 되어 있습니다.
② 열 및 물 관리계(TMS: Thermal Management System)는 전체 시스템에서 필요로 하는 물 균형을 유지하는 기능이 있으며, 또한 반응 시 스택은 열을 발생하게 되는데 이를 적절한 온도로 유지하는 기능을 합니다. 구성부품으로는 라디에이터, 물펌프, 이온제거기, 물탱크 등이 있습니다.
③ 수소공급계(FPS: Fuel Process System)는 스택에 수소를 공급하는 시스템으로 여기에는 수소 탱크, 압력 조절기, 수소재순환기 등으로 구성되어 있습니다.
2) 연료전지 스택(고체 고분자 전해질막(PEFC))
연료전지자동차용으로 주로 사용되며 특징은 다음과 같습니다.
▪ 전해질로 고체고분자막을 사용하기 때문에 양극간의 차압제어와 가압화가 쉽습니다.
▪ 전지는 상온에서 기동할 수 있고, 기동시간이 짧습니다.
▪ 플라스틱 등의 값싼 전지 구성재료를 사용할 수 있습니다.
▪ 내부저항이 낮아 고출력밀도를 얻기가 용이하여 소형, 경량화가 가능합니다.
▪ 100℃ 이하의 저온에서 운전 할 수 있습니다.
① 전극
고체 고분자막형 연료전지에서 사용되고 있는 전극은 고분자 전해질막과 일체화 접합된 것으로, “투과막/전극접합체(MEA : Membrane/Electrode Membrane)”라 칭합니다. 이것은 백금계 촉매를 입힌 카본 분말을 투과막소재에 분산시킨 박막인데, 이 박막을 투과막의 앞뒤에 발라 MEA로 만듭니다. MEA의 두께는 0.2mm 정도로 전극의 두께는 약 10미크론, 전극속에 포함되는 백금계촉매는 0.1∼0.5g/cm2 정도입니다. 보통은 MEA 양쪽에 100∼300 미크론 정도의 다공질 탄소막을 접합시켜 연료극(수소극, 아노드극), 공기극(산소극,캐소드극)으로의 기체의 확산을 최적화시키며, 촉매층과 접촉을 용이하게 합니다. 이 다공질탄소막이 연료극에서는 수소이온의 이동에 필요한 수분의 공급율, 공기극에서는 생성된 물의 제거를 제어하는 역할도 합니다.
② 분리막(Separator or Bipolar plate)
분리막은 연료와 공기의 통로가 되는 홈이 파인 플레이트입니다. MEA의 외측에 접합된 다공질탄소막에 다시 접합됩니다. 이 플레이트는 연료와 공기를 공급할 뿐 아니라 연료극 측에서는 수분의 보급통로로, 공기측에서는 생성된 물의 제거통로로서의 기능을 가지고 있습니다. 그리고 외부회로로 전기를 흘리는 역할도 합니다. 그러기 때문에 홈의 깊이와 폭 등 구조적인 인자가 연료전지의 출력효율에 크게 영향을 미치는 중요한 기술요소가 되는 것입니다..
3) 보조전원
연료전지자동차에서 연료전지 스택의 내구수명을 증대시키고, 주행거리와 연비향상을 위하여 보조전원으로 이차전지나 슈퍼캐퍼시터 등이 사용됩니다.
① 이차전지
이차전지는 소형기기와 모바일 단말기를 중심으로 사용되고 있으나 자동차용으로는 최근 하이브리드 자동차에 채용되는 대용량 이차전지가 있습니다. 연료 전지시스템에서의 이차전지는 연료전지와 하이브리드 시스템의 구성기기로서 중요하여 연료전지 출력의 안정화와 비상시 예비전력으로서 중요한 역할을 담당합니다. 연료전지시스템과의 이용에 있어서는 현재 이용되고 있는 Ni-MH, Li-폴리머 등 있습니다.
② 전기축전장치(Capacitor)
혼다사에서는 전지축전장치로 supercapacitor를 채용하고 있습니다. Capacitor는 축전지와 마찬가지로 전력을 저장하는 부재로서 특성은 순간적인 충전과 방전이 가능하고 거의 무한하게 충전과 방전이 가능하다는데 있습니다. 2002년 6월에 일본 Nissan디젤이 출시한 supercapacitor 하이브리드 트럭은 capacitor를 자동차용으로 탑재한 상품 세계 제1호가 되어 화제를 모으고 있습니다. 연료전지 시스템에서 capacitor는 주로 자동차용으로 사용되는 것으로 생각되고 있고, capacitor의 순간방전 특성을 살려 연료전지의 출력부족을 보완하고 시동시와 가속시 등의 고출력보조로서 사용되고 있습니다. 그러나 capacitor는 이차전지에 비하여 에너지 밀도가 작아 같은 급의 전력용량을 확보하기 위해서는 대형화가 불가피하여 이에 대한 극복이 과제로 남아있습니다.
4) 수소저장탱크
수소를 자동차에 탑재하기위한 방법으로는 크게 고압수소가스 저장, 액체수소저장, 수소흡장물질에 의한 저장, 탄소나노기술에 의한 저장 등 네 가지 방법이 있습니다.
① 고압수소가스 저장탱크
고압기체수소저장용기는 세계적으로 타입3 복합용기와 타입4 복합용기가 천문학적 규모의 미래시장을 선점하기 위한 사활을 건 기술경쟁을 펼치고 있습니다.
먼저 타입3은 용기 전체를 유리섬유 또는 탄소섬유 등으로 감아 적층시킨 형태의 용기입니다. 용기내부하중 대부분을 섬유와 수지에 의한 복합재료부분에서 감당하기 때문에 내부 금속라이너가 받는 하중이 적어 용기의 경량화가 가능하다는 점이 최대 특징입니다.
반면 타입4는 비금속 라이너에 수지를 함침(含浸)한 연속섬유(탄소섬유)를 용기에 감은 후 가열하여 수지를 경화시키는 방법으로 제조되었습니다. 비금속 라이너에 주로 사용하는 재질은 고밀도폴리에틸렌(HDPE)이며 함침 수지는 타입3 및 타입4와 같이 에폭시(epoxy)계열을 사용합니다. 섬유 또한 유리섬유는 E-calss, 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계를 주로 사용하고 있습니다. 이와 같은 라이너의 재질을 제외하면 타입4는 타입3용기와 복합재료층의 구조가 동일합니다. 그러나 비금속라이너를 사용하는 타입4 용기는 알루미늄라이너를 사용하는 타입3에 비해 가스누출이나 금속보스와 라이너의 기밀상태 등의 완벽치 못한 것으로 알려져 있습니다. 타입4가 타입3에 비해 앞선 기술임에 틀림없지만 연료전지 자동차용 수소저장용기로는 전 세계적으로 타입3이 우위를 점하고 있는 이유가 여기에 있습니다.
한편 타입3이나 타입4 모두 현재의 실용화 기술은 350bar에 머물러 있지만 최종 목표는 700bar이다. 에너지밀도가 낮은 기체수소를 연료로 사용하는 수소자동차가 기존 가솔린 자동차와 유사한 수준의 주행거리를 갖추기 위해서는 최소한 700bar 이상의 초고압으로 저장할 수 있어야하기 때문입니다. 이는 700bar이상의 고압을 견뎌낼 수 있는 복합용기가 연료전지 자동차용 저장매체로서 유일한 해답으로 인정받는 까닭이기도 합니다. 아래 표는 타입3과 타입4의 장단점을 비교한 것입니다. 일반적으로 타입3은 신뢰성 측면에 강점을 보이며 타입4는 가격과 중량면에서 유리한 것으로 볼 수 있습니다. 반면 타입4는 누출을 비롯 수소에 대한 폴리머라이너의 침투성, 온도에 대한 취약성 등이 기술적으로 해결해야할 과제입니다. 타입3의 경우 기술적 어려움은 크지 않지만 용기의 용량이 커지면 공정이나 가격에서 타입4보다 경쟁력이 떨어진다는 단점이 있습니다.
이러한 이론적 장단점에도 불구하고 현재 상용화되어 있는 CNG용 압력용기에 있어서는 타입3과 타입4는 가격 및 중량이 거의 비슷한 상황입니다. 안정적인 개발과 신속한 실용화의 관점에서는 타입3이 유리하며, 앞으로의 기술발전에 역점을 두면 타입4가 더 유리한 것으로 볼 수 있습니다.
② 액체수소저장탱크
액체수소저장에서는 수소를 액화온도인 -253℃까지 냉각시켜 저장탱크에 저장하는데, 냉각시키는데 수소가 가지고 있는 에너지의 약 43%를 소비해 공급시의 손실이 크고, 10∼20%가 증발해 버리고, 증발하지 않도록 단열시켜도 하루에 2∼3%정도의 액체수소가 증발하는 문제점이 있습니다.
5) 변환기
연료전지스택에서 발생한 전기는 DC 형태로서 이를 AC로 변환하기 위하여 인버터를 거치게 됩니다.
수소연료전지자동차의 특징
수소연료전지자동차는 배기가스가 전혀 없고 물만을 배출하는 완전 무공해자동차입니다. 최근 내연기관자동차는 배출가스 저감기술의 발전으로 배기가스가 거의 존재하지 않는 자동차를 개발하고 있으나, 화석연료의 특성상 지구온난화의 주범인 이산화탄소 배출 문제를 안고 있습니다. 이에 비해 수소연료전지자동차는 이산화탄소의 배출이 전혀 없는 완전 무공해 자동차입니다.
연료전지자동차의 최대 매력중의 하나는 높은 연료전지의 효율에 있습니다. 연료전지는 낮은 온도에서 작동하면서도 최적 조건에서는 60% 이상의 효율을 가지고 있습니다. 이는 우리가 열역학에서 일반적으로 배워 온 이상적인 내연기관 사이클의 효율을 훨씬 뛰어넘는 것입니다. 요즘 대부분의 연료전지 자동차는 하이브리드 기능을 가지도록 고전압 배터리나 슈퍼 커패시터를 동시에 장착한 형태로 개발되기 때문에 일반적으로 FCEV라 하면 연료전지 하이브리드 자동차를 의미합니다.
작성자 : 김광일 책임연구원
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