연료전지

 

국가화재평가원

김종락 위원 화공안전기술사 / 소방기술사

 

연료전지란 연료의 산화 酸化 에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지로서 일종의 발전장치 發電裝置 라고 할 수 있으며 산화-환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만, 닫힌 계내 系內 에서 전지반응 電池反應 을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어,반응생성물이 연속적으로 계외 系外 로 제거된다. 가장 전형적인 것에 수소-산소 연료전지가 있다. 수소 외에 메탄과 천연가스 등의 화석연료 化石燃料 를 사용하는 기체연료와, 메탄올 메틸알코올 및 히드라진과 같은 액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지의 연료전지가 나왔으며 이 중에서, 작동온도가 300 'c 정도 이하의 것을 저온형, 그 이상의 것을 고온형이라고 한다. 또한, 발전효율의 향상을 꾀한 것이나, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 용융탄산염 溶融炭酸鹽 연료전지를 제2세대, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라고 한다.

 

< 연료전지의 개념도 >

 

연료전지의 발전 원리

왼쪽 사진설명 연료중 수소와 공기중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전하는 연료전지는 ① 연료극 양극 에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리되고 ② 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동하여 ③ 공기극 음극 쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물 물 을 생성한다. 최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열생성을 한다.

오른쪽 사진설명 수소 - 산소 연료 전지의 구조와 원리를 살펴보면 ① 전해질을 사이에 두고 - 극에는 수소를, + 극에는 산소를 공급 → ② - 극의 수소는 전자를 내놓고 전해질을 통해 + 극으로 이동하여 산소 분자와 만나 물과 열을 생성 → ③ 수소가 내놓은 전자가 외부 회로를 따라 + 극으로 이동하여 전류가 흐른다.

 

연료전지 5가지 종류

1.고분자 전해질 연료전지 PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

2.인산형 연료전지 PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell

3.알칼리형 연료전지 AFC: Alkaline Fuel Cell

4.용융 탄산염 연료전지 MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell

5.고체 산화물 연료전지 SOFC: Solid Oxide Fuel Cell

 

< 연료전지의 종류 5가지>

 

고분자 전해질 연료전지 PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

고분자전해질형 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 유지하여야만 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 연료전지의 이용 규모가 적을지라도 상업화할 수 있다. 더욱이 현재 몇 개의 시범용 고분자전해질형 연료전지의 전원에 의한 자동차는 실험 결과 우수성이 입증되어 더 많은 연구 계획을 진행중에 있다.

 

 

인산형 연료전지 PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell

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 수준 보다 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.

 

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 AFC: Alkaline Fuel Cell

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.

 

용융 탄산염 연료전지 MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell

용융탄산염형 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.

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고체 산화물 연료전지 SOFC: Solid Oxide Fuel Cell

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

 

고체산화물형 연료전지의 가장 독특한 특성은 운전 온도는 약 1,000℃ 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 배터리 전원 공급형 자동차가 아닌 전위밀도를 요구하는 것과 접목시키는 것이 궁극적인 목적이다. 

 

 

< 연료전지의 발전시스템 구성도 >

 

구성요소와 기능

 

구성요소	주요기능
1. 개질기	연료인 천연가스, 메탄올, 석탄, 석유 등을 수소가 많은 연료로 변환시키는 장치
2. 단위전지 Unit Cell	연료전지 단위전지는 기본적으로 전해질이 함유된 전해질 판, 연료극, 공기극, 이들을 분리하는 분리판으로 구성되어 있으며 이 단위전지에서 전류를 인출하는 경우 통상 0.6V~0.8V의 낮은 전압이 생성
3. 스택 Stack	원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체
4. 전력변환기 Inverter	연료전지에서 나오는 직류전기 DC 를 우리가 사용하는 교류전기 AC 로 변환시키는 장치

장단점

 

장점	에너지효율이 40~60%이며, 반응과정에서 나오는 열을 이용하면 80% 정도로 높일수있다. 물이 유일한 생성물로 환경 오염 문제가 없다. 연료가 되는 수소를 재생 에너지, 원자력 등 다양한 에너지원으로부터 생산할 수 있다. 이용 : 휴대용 전자 기기, 수소 연료 전지 자동차, 대형 발전 장치, 우주 왕복선 등
단점	수소를 생산하는 데 비용이 많이 들며, 폭발 위험이 있다. 수소 충전소 등 새로운 기반 시설을 설치해야 한다. 수소와 산소를 계속해서 공급해 줘야 하며, 생성물인 물을 연료전지로부터 제거해야 한다.

- 본 칼럼은 국가화재안전저널 제 5호에 기고된 글입니다.