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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.
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수소연료전지란 무엇인가
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[수소 산업] 수소연료전지 원리와 구조, 종류 (Fuel Cell)
3. 수소 연료전지의 기본 구조 · 막-전극 접합체 (MEA, Membrane Electrode Assembly) : 전해질막과 전극의 접합체. · 전해질막 (Membrane) : · 촉매 : · 전극 …
Source: seongyun-dev.tistory.com
Date Published: 9/30/2022
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연료전지의 원리 – 호라이즌퓨얼셀코리아
연료 전지의 기본 원리는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것을 역이용하여 수소와 산소에서 전기 에너지를 얻는 것 … Horizon PEMFC 연료전지의 구조.
Source: www.horizonfuelcell.co.kr
Date Published: 1/11/2021
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신재생에너지원인 수소연료전지의 원리와 응용 – KoreaScience
그 당사 발. 표된 논문에 실린 셀 구조를 그림5에 나타내었다. 그림 1 연료전지 작동원리 및 기본구조. 그림 4 연대별 연료전지 발전 역사. 그림 5 William R. Grove …
Source: koreascience.kr
Date Published: 4/4/2022
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원리 : (주)두산 퓨얼셀 파워
연료전지 구조도. 연료극에 유입된 수소는 백금촉매에 의해 산화되어 수소양이온과 전자로 분해; 연료극에서 발생된 수소양이온은 전해질막을 통해 공기극으로 이동, …
Source: www.doosanfuelcellpower.com
Date Published: 7/24/2021
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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: 5/12/2021
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수소연료전지자동차(수소차) 원리란 무엇일까?! (연료전지스택 …
수소연료전지자동차(수소차) 원리란 무엇일까?! (연료전지스택 구조와 원리). 꿈꾸자인생 2020. 10. 2. 18:42 …
Source: i-love-mystory.tistory.com
Date Published: 9/7/2022
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- Date Published: 2021. 6. 28.
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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.
국내 철강 빅2’ 전기차·수소차 등 친환경차에 올라탔다
포스코, 전기차 전담팀 구성… 소재부터 배터리까지 토탈솔루션
현대제철, 수소차용 금속분리판 설비 증설… 부생수소도 확대
수소연료탱크
탱크제조사일진다이아
수소차,폭발하면 어떡하죠?
산자부브리핑
[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 )
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.
수소 연료 전지 구조 | 1 수소연료전지란 무엇인가? 상위 176개 답변
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수소연료전지자동차(수소차) 원리란 무엇일까?! (연료전지스택 구조와 원리)
수소차_수소전기차_수소연료전지자동차_원리
안녕하세요! 정리남입니다!!
오늘은 수소차의 원리에 대해 정리해 보도록 하겠습니다.
흔히 ‘수소차’라고 불리우는 이 녀석의 진짜 이름은 ‘수소연료전지자동차’입니다.
여기에서 ‘연료전지’란, ‘어떠한 연료를 통해 전기를 생성해 내는 전지’을 일컫는데요, 따라서 수소연료전지자동차란, 수소를 원료로 전기를 발생시키고 그 전기로 자동차를 구동시키는 전기자동차의 일종을 말합니다. 이러한 수소연료전지 자동차의 원리를 알아보다 보니 의외로 단순하여 깜짝 놀랐습니다^^
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수소 연료전지 자동차(수소전기차)의 구조 및 전체적인 구동원리
먼저 수소연료전지 자동차 구조도를 보면서 전체적으로 한번 알아보고, 연이어 핵심이 되는 원리를 알아보도록 하죠.
여기에서 여러분들이 기억하셔야 할 점은, 이 수소전기차의 핵심이 되는 원리가 그 이름에서도 알 수 있듯이, 바로 ‘연료전지(Fuel cell) 스택’에서 이루어 진다는 점입니다. 자 그럼 한번 볼까요?!
이미지 출처 : 도요타, 삼성증권 – 수정
” 수소전기차의 전체적인 구동원리 ”
① 차 내부로 외부 공기가 내부로 들어온다. 필터링을 거쳐 순도가 높은 산소를 포집한다.
수소 충전소에서 자동차 내부 수소탱크로 수소를 주입(충전)한다.
② 산소와 수소가 연료전지스택으로 들어온다.
③ 연료전지스택에서 전기를 만들어 낸다.
부산물로 물(H2O)이 생성된다.
④ 연료전지스택에서 생성된 전기를 모터로 보낸다.
⑤ 전기를 통해 모터를 돌려 자동차를 주행시킨다.
⑥ 물 (H2O) 을 차 밖으로 배출한다.
자! 그렇다면 이 전체적인 구동과정에서 궁금한게, ‘연료전지스택’에서 수소와 산소를 가지고 어떻게 전기가 만들어 내는 것이냐’일텐데요. 그 원리는 다음과 같습니다.
수소연료전지자동차(수소전기차)의 연료전지스택 구조와 원리
연료전지스택 내에서 전기가 발생되는 과정은 ‘배터리의 방전’와 동일합니다. (배터리 원리 포스팅 → 여기참조)
배터리와 동일하게, 이 연료전지 스택은 두개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질 막으로 구성되어 있으며 화학적으로는 산화와 환원반응이 진행되기 때문입니다.
자료 : JARI, 삼성증권
위 이미지를 볼까요 ?
배터리와 동일하게 두개의 극과 극 사이에 전해질막으로 구성되어 있기 있는데요, 두개의 극 중 수소가 들어오는 극을 ‘연료극’이라 하며, 산소가 들어오는 극을 ‘공기극’이라 하는데요, 여기에서 연료극은 음극(-)에 해당하며 ‘공기극’은 양극(+)에 해당합니다! 여기 이 양쪽 극에는 촉매역할을 하는 ‘백금’이 위치해 있다는 것까지 알아두시면 준비 끝입니다!ㅎㅎ
출처 : 한화토탈
전기가 발생되는 원리를 한번 보죠.
” 수소차 연료전지스택 전기 발생 원리 ”
1) 먼저 수소 H2가 연료극으로 들어와 백금의 촉매작용을 통해 수소이온과 전자로 분리됩니다.
: 2H2 → 4H+ + 4e-
: 연료극인 음극-에 해당하는 반응이며, 수소가 전자를 잃었으므로 수소의 산화반응 이 일어납니다.
수소는 그 자체로 반응성이 무지 커서 전자를 떼어 놓으려 하는 성향을 지녔는데 이 성질이 이용되는 것이죠.
: 백금은 말 그대로 촉매. 즉 반응을 빠르게 하는 역할 을 합니다.
2) 수소에서 분리된 전자는 외부로 연결된 도선을 따라 흐르면서 전기를 발생시킵니다.
: 음극에서 양극으로 전자의 자발적 이동이 발생하는 것입니다.
: 전자의 이동 = 전류의 흐름 = 전기 발생 3) 전자와 불리된 수소 양이온은 전해질을 통해 공기극(양극+)으로 이동합니다. : 전자의 이동에 따른 전체 화학적 균형을 맞추기 위해 수소이온이 이동됩니다. 4) 공기극에서 주입된 산소와 도선을 타고 온 전자 그리고 전해질을 통해 온 수소이온이 만나 물이 생성됩니다. (양극(+)) : O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O : 양극에서는 산소분자가 전자를 얻었으므로 산소의 환원반응이 발생합니다. 즉, 마이너스로 대전된 산소분자와 수소이온의 결합으로 물이 생성되는 것이죠.
여기서 잠깐!
촉매의 역할이 살짝 궁금하지 않으신가요!? 네이버 지식백과에 찾아 보았습니다.
” 백금 촉매의 역할 / 촉매 원리 / 촉매 반응 ”
먼저 ‘촉매’란 반응 과정에서 소모되거나 변하지 않으면서 반응속도를 빠르게 만드는 물질을 말합니다. 아래의 캡처된 이미지 내용을 요약하면 촉매란, 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮추어 반응을 촉진시키는 역할 을 하는 것입니다. 반응에 참여하긴 하지만 반응속도촉진이라는 역할을 수행할뿐, 변하지 않고 반응전의 원래 자신 그대로 남는 물질이 되는 것이죠. 백금은 연료전지스택안에서 이러한 촉매 역할을 하면서 음극에서는 수소의 이온화를 촉진시키고, 양극에서는 물의 생성을 촉진시키고 있는 것입니다.
결론
수소 연료전지 자동차는 수소를 연료로 사용하여 전기를 만들어 동작하는 전기자동차입니다.
수소연료시켜 99.9%의 순도 높은 산소를 얻어 쓴다는 점에서 공기의 정화기능까지 하죠. 그래서 수소전기차를 도로위에서 이동하는 공기청정제라고 하기도 합니다. 실제로 만약 수소전기차 10만대가 하루 2시간씩 달릴경우, 서울시 인구 86%가 1시간동안 마시는 공기 정화 효과가 있다고 하네요.
하지만 이 수소연료전지 자동차에는 논란이 되고 있는 단점과 모순되는 맹점도 있는데요 이 부분에 대해서는 다음 포스팅에서 다루어 보도록 하겠습니다!
연관포스팅(↓↓↓)
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출처
https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=shakey7&logNo=221423661446&redirect=Dlog&widgetTypeCall=true&directAccess=false#
http://study.zum.com/book/11717
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=982545&cid=47337&categoryId=47337
https://m.blog.naver.com/hanwhadays/222065618432
**유의사항**
이 블로그의 모든 포스팅은 ‘개인적인 이해를 통해 공부한 내용을 정리한 글에 불과’합니다. 따라서 작성된 내용에는 저의 개인적인 의견이 포함되어 있으며 사실과 다를 수 있습니다. 기타 정보들과 비교해보시고 본 포스팅은 “참고용”으로만 봐주세요~ 해당 정보로 인해 발생되는 어떠한 불이익에 대해서도 책임지지 않는다는 점 유념해주세요
키워드에 대한 정보 수소 연료 전지 구조
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