개발동향과 발전 시스템의 원리부터 사용법까지

 
연료전지의 발전 구조 해설과 활용실무

국제테크노정보연구소 기술정보팀

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근년, 빠른 속도의 경제 발전으로 사람의 생활이 풍족해지고 모든 장치가 자동화, 전자화됨에 따라 매우 편리해졌다. 그러나 반면, 사람의 생활에 의해 소비하는 전기 에너지는 급속히 증가하고 있다. 그 주된 에너지원은 석탄, 석유나 천연가스라고 하는 화석연료이다. 그러나 이들 화석연료는 지구상에 매장되어 있는 양에는 한계가 있다. 지금 그대로 간다면 머지않아 고갈되고 만다. 그래서 태양광, 풍력 등, 다양한 대체 에너지의 연구가 진행되고 있다. 연료전지도 그 하나로, 연료전지는 ‘수소’를 연료로 사용한다. 수소는 그대로의 상태로는 자연계에 존재하지 않지만, 다른 형태(예를 들어, 물)로 다량 존재한다. 이것을 에너지원으로서 활용할 수 있다면 화석연료의 고갈을 방지할 수 있을 것이다.
또, 화석연료를 에너지로서 사용하는 경우, 연료를 태워 열에너지로 변환하고, 그 열에 의해 기계를 작동시켜 기계적 에너지로 변환, 다시 발전기를 작동시켜 전기 에너지로 변환한다고 하는 많은 공정과 수고가 뒤따른다. 그리고, 화석연료를 태움에 따라 대기오염을, 열에너지로 변환함에 따라 열손실을, 다시 기계적 에너지로 변환함에 따라 기계적 손실을 초래하며, 이것이 종합 효율을 저하시키고 있다. 즉, 전기 에너지로서 꺼낼 수 있는 양은, 원래 연료가 가지고 있던 에너지의 일부에 지나지 않으며, 나머지는 오염물질과 함께 전부 버리게 된다.
이에 대해 연료전지는 연료를 태우는 것이 아니라, 직접 화학 반응시켜 전기 에너지를 꺼낸다. 즉 중간 프로세스가 아무것도 없기 때문에, 에너지를 꺼내는 효율이 이론상 매우 높고, 또 연소시키지 않기 때문에 오염물질의 발생도 극히 적다. 그래서 선진국에서는 국책사업으로 치열한 개발 경쟁을 벌이고 있으며, 이미 일부 상용화 단계에 이러렀다. 일본의 경우, 2002년에 토요타자동차와 혼다기연공업 등에 의해 세계 최초의 시판의 ‘연료전지 자동차’가 선 보였으며, 또 2005년에는 세계 최초로 가정용 연료전지 분산발전 시스템이 동경가스와 신일본석유 등에서 판매가 개시되었다.
1959년, 프랜시스 베이컨(Francis Bacon) 박사가 알칼리 전해질형 연료전지(AFC)를 발명으로, 이 연료전지는 익년 아폴로 우주선에 탑재하기 위해 연구가 추진되었으며, 그후 우주개발과 함께 연료전지는 실용화의 길을 걷게 되었다. 이유는, 로켓의 연료가 수소와 산소이기 때문이다. 로켓의 추진력과 내부에서 소비하는 전력원이 같은 연료로 해결되면 개별로 적재할 필요가 없어지고, 연료전지가 수소와 산소를 사용하여 발전한 결과 생기는 생성물은 물( H2O)뿐이므로, 이것은 승무원의 음료수 등으로 우주 공간에서 이용할 수 있다. 즉 한정된 공간내에서 신뢰성이 높고, 장시간, 고출력을 얻을 수 있는 전원으로서 연료전지가 최적이라는 것이 입증된 셈이다. 우주개발 용도의 연료전지는 그 후에도 개발이 계속 진행되어 현재도 스페이스셔틀의 전력은 연료전지로 공급되고 있다.
이와 같이, 연료전지는 발전 효율이 높고, 불순물의 배출이 적으며, 발전시에 나오는 열도 재이용 가능하다고 하는 특징과, 연료가 되는 수소는 화석연료를 비롯하여 다양한 원료로부터 만들 수 있는 데다가, 현재는 단지 태워서 처리하고 있는 공장의 부생 수소가스를 재이용할 수 있는 등, 연료원이 풍부하기 때문에 다양한 용도에 그 응용이 기대되고 있다. 소음이나 진동, 대기오염을 발생하는 화력발전소를 치환할 수 있는 대규모 발전용도, 공장이나 빌딩 단위로 전기와 열을 처리하는 대규모 분산발전용도, 또 자동차, 오토바이, 전동 휠체어 등, 우리 생활에 밀착한 이동체부터, 디젤 기관차를 대체하는 전기기관차, 잠수함이나 심해 탐색정 등의 대형 이동체 용도, 그리고 PC나 휴대전화, 계산기 등의 개인용 전자기기 전원 용도로서도 그 응용 연구가 활발히 진행되고 있다.

연료전지는 사실 전지가 아니라, 발전기의 원리로 동작한다. 본고에서는 그림과 실제 사진을 이용하여, 최신 선진국의 국책 개발 동향과 연료전지의 구조와 동작원리, 종류를 해설하고, 현재 세계적으로 가장 활발하게 연구개발이 진행되고 있는 고체 고분자형 연료전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)를 모델로 자세한 설명과 실제로 전기기기의 전원으로 사용하기 위한 임피던스, 내부손실 측정 및 시뮬레이션 방법 등을 시험키트를 통하여 해설한다.

■ 주요내용

1. 연료전지의 동향과 개념
2. 연료전지의 역사
    ■ 오랜 역사를 지닌 연료전지
    ■ 연료전지의 실용화
    ■ 우주용 연료전지에서 지상용 연료전지로 개발
    ■ 연료전지 개발 열풍의 주역
    ■ 연료전지의 다양한 용도
3. 실험에 의한 연료전지의 발전 원리와 테크닉
    ■ 물의 전기분해
    ■ 연료전지로부터 에너지 취출
    ■ 연료전지의 구조는 전지가 아닌 발전기
4. 연료전지의 종류와 그 구조
    ■ 연료전지의 종류
        □ 인산 전해질형 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell)
        □ 용융 탄산염형 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)
        □ 고체 산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)
        □ 고체 고분자형 연료전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)
5. 고체 고분자형 연료전지(PEFC)의 구조와 성질
    ■ 고체 고분자형 연료전지의 구조
        □ 고체 고분자막
        □ 촉매
        □ 가스 확산층
        □ MEA(Membrane Electrode Assembly): 막전극 접합체
        □ 세퍼레이터(Separator)
        □ 개스킷
        □ 셀 스택
    ■ 고체 고분자형 연료전지(PEFC)의 발전 특성
    ■ 연료전지의 3가지 내부손실
        □ 저항 분극
        □ 활성화 분극
        □ 확산 분극
    ■ PEFC의 성질을 크게 바꾸는 동작환경
        □ 전지 내부의 수분 관리
        □ 수분과 PEFC 발전 성능의 관계
6. 연료전지의 임피던스와 측정
    ■ 연료전지의 내부손실과 교류 임피던스 측정
    ■ 측정결과의 표현에는 Cole-Cole plot을 사용
    ■ PEFC의 Cole-Cole plot의 예
    ■ 교류 임피던스 측정결과에서 등가회로를 구하기
7. 고체 고분자형 연료전지의 실용화에 대한 과제
    ■ 백금을 촉매로 사용할 경우의 문제
    ■ 불순물에 약한 PEFC
    ■ 저온에서 동작함에 따른 결점
    ■ 내구성에 대한 걸림돌
    ■ 보기(補機)류의 개발도 필요
    ■ 칼럼: MEA 표면의 모양을 실험으로 확인


 

 

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