[수소 산업] 수소연료전지 원리와 구조, 종류 (Fuel Cell)

 

 

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[수소 산업] 수소 관련 기업 정리 (연료전지)

 

 

 

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)

 

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.
  
  
• 개질기 (Fuel Reformeer) :
  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
  
  
• 전류 변환기 (E-BOP, Electrical Balance of Plant) :
  스택에서 발생된 직류 전류를 교류로 변환하여 공급

 

 

스택을 구성하는 단위 셀의 구조는 아래와 같습니다.

 

 

수소연료전지 스택과 단위 셀 구조

 

 

• 막-전극 접합체 (MEA, Membrane Electrode Assembly) : 
  수소연료전지 원가의 약 43% 를 차지한다.
  전해질막과 전극의 접합체로 연료전지의 핵심이 되는 부품이다.
  
  
• 전해질막 (Membrane) :
  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.
  
  
• 전극 :
  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.
  
  
• 분리판 :
  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.
  
  
• 가스켓 :
  연료전지 원가의 10% 차지
  가스 누출 및 연료 섞임을 방지한다.

 

 

 

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
글로벌 화학 기업인 듀폰(Dupont)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.

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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.

 

 

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)