수소 연료전지 원리와 구조

미국 에너지부에 수소연료전지와 관련된 좋은 게시물들이 많아 해당 내용들을 참조했습니다.
https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-and-fuel-cell-technologies-office

Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office

아래 글은 수소연료전지에 대한 미 에너지부의 글을 번역하고 내용을 좀 덧붙인 글입니다. 
https://www.energy.gov/eere/fuelcells/parts-fuel-cell

수소 연료전지의 특성

약 60% 수준의 전력변환 효율을 가지고 있으며, 전기를 만들며 부산물로 물과 열만 발생한다. 음극/양극 사이에 전해질이 끼어있고, 음극에 수소를 공급해 양극에서 산소와 결합하며, 그 과정에서 전기가 발생하는 원리. 어떤 전해질을 사용하는지에 따라서 연료전지의 종류가 나뉩니다. 이 중 차량용으로 주로 개발되고 있는 PEMFC에 대해서 주로 글을 작성하려 합니다. 

연료전지 종류에 따른 장단점 비교, 다음 페이지 참조: https://www.energy.gov/eere/fuelcells/types-fuel-cells

 

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PEM 연료전지의 구조 

현재 차량용으로 개발되고 있는 것은 주로 PEM* 연료전지입니다. PEM 전지는 MEA**로 구성되어있는데, MEA는 전해질 막과 음극/양극의 집합체를 말합니다. 전해질 막은 양성자, 수소이온만을 통과시킬 수 있는 얇은 막을 말하는데, PEM이 이런 특징을 의미합니다. 양극과 음극에는 각기 카본 막에 백금 촉매가 도포되어 수소와 산소 분자의 분리를 돕습니다. 아래 간단하고 이해하기 쉬운 그림이 있어 공유합니다. [링크]

* (PEM: Polymer Electrolyte Membrane, 고분자 전해막 연료전지 / 또는 Proton Exchange Memb. 양성자 교환막)
** (MEA: Membrane Electrode Assembly, 막 전극 조립체) 

전해막과 음극/양극 겉에는 부산물인 물이 지나치게 쌓이는 것을 막고, 기체(산소/수소)의 이동을 쉽게 하는 Gas Diffusion Layer가 있습니다. 주로 카본 섬유에 소수성인 테플론을 코팅한 소재입니다. 열을 제거하는 역할도 합니다.

그 겉에는 분리막(Bipolar Plates)가 있습니다. 연료전지 내에 개별 MEA는 1볼트 이내의 전력을 만들어내어 일반적인 용도에 사용하기에 턱없이 부족합니다. 일반적으로 개별 연료전지를 수백개 정도 적층하여 사용하는데, 이를 연료전지 스택이라고 합니다. 이렇게 여러개 쌓은 연료전지 사이를 분리하는게 분리막입니다. 분리막은 흑연, 금속 등 여러 소재로 만들 수 있는데, 셀 간 전기적 전도성을 제공하고, 연료/공기가 흐르게도 합니다. 

연료전지 시스템에 필요한 구성 요소들

연료전지 스택 외에도 연료전지의 작동을 위해 필요한 부속들이 있습니다. 순수 수소가 아니라 수소를 포함한 기존 연료를 사용하는 경우 연료개질기가 전지에 포함되기도 합니다. 연료전지 개질기에서는 별도로 다루도록 하겠습니다.

그 외 필요한것 중 하나는 가습기입니다. PEM연료전지의 핵심인 PEM은 건조한 상태에서는 정상적으로 작동하지 않습니다. 어느정도 습해야 원활하게 작동하는데, 이를 유지하기 위해 가습기가 필요합니다. 연료전지 작동에서 발생하는 수분을 주로 재활용하게 됩니다. 

두 번째로 공기압축기도 주로 사용됩니다. 반응대상인 기체의 밀도가 높을수록 연료전지의 효율이 올라가는데, 일반 대기압의 약 2~4배정도 압력을 가지도록 공기를 압축해 보내게 됩니다. 또한 이 압축된 공기가 배출될 때 에너지 회수를 위한 장치도 같이 설치됩니다. 

PEM 연료전지의 비용

https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/17007_fuel_cell_system_cost_2017.pdf

연료전지의 대량 생산시, 촉매(백금)과 분리막(스테인레스 스틸)의 비용의 비중이 점점 높아집니다. 생산량 증가에 따라 원재료비가 감소하지 않고 있기 때문인데, 백금 자체가 단가가 높아 이를 줄이기 위한 노력이 주된 과제라고 합니다.