수소연료전지 원리와 구조 / 전해질 역할과 종류 및 특징

 수소연료전지 원리 및 구조 이해

 연료전지의 기본원리는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것을 역으로 이용하여 수소와 산소에서 전기에너지를 얻는 것이다. 연료인 수소를 연료극(anode, -극)에 주입하면, 산화반응에 의해 수소(H2)과 전자(e-)로 나뉘게 된다. 전자를 외부회로를 통해 공기극(cathode, -극)으로 이동하고, 수소 이온은 전해질막을 통해 공기극으로 이동하여 전류를 흐르게 한다. 또 양극에서는 전자와 결합한 산소가 수소 이온과 반응하여 물을 발생시킨다.

 

 연료전지의 본체인 스텍(stack)은 연료전지의 가장 기본단위라고 할수 있는 단위 셀(Unit cell)을 적층한 것이다. 셀의 구조는 일반적으로 연료극에서 발생한 수소 이온을 공기극까지 이동시키는 역할과 연료가 공기와 직접 섞이지 않도록 격막 역할을 하는 전해질(Menbrane Electrode Assembly)라고 부른다. 고분자전해질막(PEMFC)등을 비롯한 저온형 연료전지 시스템과 같이 비교적 저온에서 작동되는 경우는 적극과 연료의 반응을 활성화할 필요가 있어, 촉매를 전극에 담지한다. 가스화산층(GDL, Gas Difusion Layer)은 분리판을 통해 공급된 연료와 산소를 MEA로 전달하고, 발생된 물을 배출하는 역할을 한다.

 

 단위 셀 외의 구성은 다음과 같다. 분리판(Seperator)은 외부로부터 연료를 공급하거나, 내부 열관리. 셀을 적층하여 구성할 때 연료극과 공기극의 격리 등의 역할을 수행한다. 가스켓(Gasket)은 가스 누출 및 연료 섞임 방지 역할을 한다.

 주변적 기기(BOP, Balance of plant)는 본체인 스텍을 제외한 나머지를 뜻한다. BOP는 크게 연료공급기인 M-BOP(Mechanical Balance of Plant)와 전력변환기인 E-BOP(Electrical Balance of Plant)로 구성된다. M-BOP는 기존 화학 물질이나 화석 연료에서 생성한 수소, 산소를 스텍에 공급하는 역할을 한다. E-BOP는 전류변환기로 스텍에서 발생된 직류전기를 교류전기로 변환하여 수요처에 공급하는 역할을 한다.

 

 전해질 역할, 종류 및 특징

 연료전지의 종류는 전해질막의 종류에 따라 5가지로 구분되는 것이 가장 일반적이다.

 1) 고분자전해질 ㅇ녀료전지(PEMFC, Polymer Electrolye Membrane Fuel Cell)의 전해질 PEMFC에서 고분자전해질막은 Dupont 사에 의해 제작된 퍼플루오로 술폰산(PFSA, Perfluorocarbon Sulfonic Acid)수지가 주로 사용되고 있다. 시장점유율은 약 70%이다. 막은 산화 반응으로 발생하는 화학적 열화로 인하여 내구성이 감소하게 된다. 하지만 퍼플루오로 술혼산 수지는 불소원자의 주변을 탄소원자가 감싸고 있어 화학적으로 안정된 구조를 갖는다. 이 막은 술포닉플루오라이드 비닐에트르 단량체와 테트라플루오로에틸렌과의 공중합에 의해 만들어진 수지를 필름형태로 압출 가공한 후 가수분해시켜 제조한다. PEMFC의 고분자 전해질막은 액체 상태의 물이 존재하는 환경에서 높은 이온 전도성을 유지할 수 있다. 하지만 건조현상이 발생하게 되는 고온에서는 이온 전도성을 유지할 수 없어 연료 전지의 성능이 감소한다. 이로 인해 PEMFC는 상온에서 80℃까지의 온도에서 동작이 가능하다는 점과, 높은 전류밀도를 갖고, 소형화 및 경량화가 가능하여 차량용 등의 이동 전원으로 적합하다고 평가받는다.

 

 2) 알칼리형 연료전지 (AFC, Allcaline Fuel Cell)의 전해질

 AFC는 PEMFC와 다르게 액체 형태의 전해질이 사용된다. 1960년대 우주선에 전력과 물을 공급하기 위해 우주용으로 개발된 연료전지로, 현재로주 사용되는 이온 전도성이 우수한 수산화칼륨이다. 알칼리 전해질은 산성 전해질에 비해 큰 기전력과 전류밀도를 얻릉 수 있다. 이렇게 비교적 단순하게 고출력을 얻을 수 있다는 장점 때문에 순산소와 순수소를 이용한 우주용, 잠수함등의 특수용에 많이 적용되고 있다. 또한 알칼리 분위기에서는 저가의 전이 금속들이 귀금속인 백금과 비슷한 활성을 보여, 원가에 큰 비중을 차지하는 전극 촉매인 백금의 사용량을 절감하는 효과를 낳을 수 있다. 하지만 전해질이 공기 중의 이산화탄소와 반응하게 되면 결정형 탄산염을 형성하고 그것이 +극에 석출되어 연료전지의 가동성을 방해한다는 단점을 갖고 있다.