fuel cell의 종류

fuel cell은 voltaic cell의 한 종류로 계속 써도 방전없이 연료만 넣어준다면 전압이 일정한 전력생산장치인데,

그 종류로 AFC,PAFC,MCFC,SOFC,PEMFC가 있습니다.

이 순서는 개발된 순서라고 할 수 있습니다.

PAFC를 1세대, MCFC를 2세대,SOFC를 3세대 연료전지라고 합니다.

 

1. AFC (alkaline fuel cell)

AFC는 전해질소재로 alkaline, KOH를 사용합니다. 이때 전해질은 액체전해질 입니다.

고체 alkaline 막을 쓴 경우가 개발되기도 했는데, 이를 AMFC(alkaline membrane fuel cell) 라고 합니다.

구조는 anode/(KOH)electrolyte/cathode로 되어있으며

AFC의 전하운반자는 OH-이며 작동온도가 60~220도로 비교적 저온에서 중온 정도에 해당합니다.

저온에서 동작하므로 platinum촉매를 사용했지만, 요즘에는 굳이 platinum촉매를 사용하지 않고 Ni나 Co정도의 촉매를

사용할 수 있으므로 비용이 절감된다는 장점을 가졌습니다.

AFC의 주요 장점은 굉장히 높은 효율을 가진다는 것과 cathode에서의 산소 환원반응이 빠르다는 것입니다.

비용도 낮고 효율도 높고 반응도 빠르므로 상당히 좋지만 치명적인 단점이 있습니다.

바로 촉매 소재 KOH가 공기중의 CO2와 반응해 불용성 탄화수를 형성해 전극을 부식시킨다는 것입니다.

이것은 성능을 저하시키므로 굉장히 치명적인 단점입니다.

따라서 O2공급시 CO2 가 없는 특별한 조건, 즉 우주 등에서 사용할 경우 굉장히 좋은 연료전지라고 할 수 있습니다.

 

2. PAFC (phosphoric acid fuel cell)

사실상 지구에서 사용하기 곤란한 AFC를 제외하고 가장 먼저 개발이 된 PAFC입니다.

PAFC는 1세대 fuel cell로써, 오래동안 개발되어 내구도와 안정성이 높다는 장점이 잇습니다.

PAFC는 이름대로 인산을 전해질 물질로 쓰는데, 이때 전해질은 액체전해질입니다.

PAFC는 상대적으로 저온인 200도에서 동작합니다.

저온에서 동작하므로 촉매는 platinum을 사용해야해서 비용이 높아진다는 단점이 있고

시스템이 대체적으로 크고 무거운 단점을 지닙니다.

또한 효율이 초기 개발시 약 37%로 낮고 최근엔 더 높아졌지만 효율이 낮다는 단점이 있습니다.

 

3. MCFC (molten carbonate fuel cell)

2세대 연료전지로 불리는 MCFC는 위에서 이야기한 연료전지와 달리 비교적 고온(650도)에서 동작하여

촉매로 platinum을 사용하지 않고 가격이 싼 니켈 등의 촉매를 사용할 수 있습니다.

따라서 비용이 상당히 절감되며 구조는 anode/electrolyte/cathode이지만 중간에 bipolar plate라는 두개의 극성을 가진 층이 포함됩니다.

고온에서 작동하여 효율이 약 47%정도까지 높인 장점을 가지며 MCFC는 액체 탄소화물을 전해질로 쓰며 역시 액체 전해질 입니다.

액체전해질을 쓰는 모든 연료전지와 같이 부식성이 있어 수명이 낮은 단점이 있고 출력밀도가 낮습니다.

 

4. SOFC (solide oxide fuel cell)

고체 산화 연료전지인 SOFC는 3세대 연료전지로써

고온에서 작동하여 효율이 높고 백금촉매를 사용하지 않아도되서 비용이 낮습니다.

이때 전해질이 고체산화물로 Y2O3가 도핑된 안정화 지르코니아를 사용합니다.

따라서 도핑에 의해 Y 2개당 O(2-)가 이동해 전기전도성을 가집니다.

전하운반자로써 O(2-)가 되는 셈입니다.

SOFC를 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.

SOFC는 장점으로써 

연료를 다양한 종류를 사용할 수 있습니다.

그 이유는 내부에서 reforming과정을 거칠 수 있기 때문입니다.

예를 들어 연료로 전연가스인 메탄 CH4를 사용할 경우 내부에서 물과 반응시켜

CH4+H2O->CO2+3H2 의 과정을 거쳐 필요한 수소를 얻을 수 있는 것입니다.

 

*또한 고체 상태의 산화물을 전해질 소재로 쓰는데, 여기서 액체 전해질에 비해 고체 전해질의 장점에 대해 다루겠습니다.

고체 전해질을 사용하기 때문에 액체는 새어나갈 수 도 있고 

고온상태에서는 증발 등으로 인해 분율이 달라질 수 도 있는데 비해 고체는 정해진 분율로 인해 그에 대한 관리가

덜 필요하게 됩니다. 또한 액체 전해질의 큰 문제인 부식성에서도 고체전해질은 장점을 가집니다.

또 연료전지에서는 산소와 수소가 필요한데, 여기서 산소를 넣어줄때 보통 공기를 넣어주므로 공기 속 산소의 분율을

고려하여 공기의 분압을 높여주게 됩니다. 이때 수소쪽의 분압에 비해 산소쪽의 분압이 높기 때문에 중간에 있는 전해질 부분에서 액체가 누액될 가능성이 있습니다. 하지만 고체 전해질을 쓴다면 누액이 되지 않는 장점을 가지게 됩니다.

또한 고체 전해질을 사용하면 장치의 디자인도 자유롭게 만들 수 있는 장점이 있습니다.

 

SOFC의 또다른 장점으로는 앞에서 이야기 했듯, 고온에서 동작하기 때문에 백금 촉매를 사용하지 않아도 되고 횽류이 올라가게 됩니다.

단점으로는 높은 온도를 견디기 위한 장치에 고온 소재가 필요하다는점, 온도를 높이고 낮추는 과정에서의 기계적인 응력이 가해진다는 점, 또 전해질은 다공성인데 고온에서 계속해서 사용할 경우 코팅이 되서 기공이 막혀 불침투성이 될 수 있습니다.

또 온도가 증가하며 전해질로 전극성분이 확산하며 성능이 감소할 가능성도 있습니다.

 

SOFC는 고체 전해질을 사용하기 때문에 여러가지 장치 디자인을 만들 수 있습니다.

여러가지 cell 배열로

1.) electrolyte substrate 구조

연료전지 장치에서 substrate란 장치의 기계적인 강도를 유지하기 위해 만들어진 구조를 의미합니다.

여기서는 electrolyte부분이 두꺼운 substrate기능을 하는 구조입니다.

이 부분은 강인한 강도를 가집니다.

이 구조는 매우 보편적으로 제조 공정이 쉽고 안정적이지만

출력밀도가 낮은 단점이 있습니다. (electrolyte가 두꺼워 저항이 크다) 

 

2.) anode substrate 구조

이 구조는 위의 electrolyte substrate구조의 electrolyte가 두꺼워 저항이 큰 단점을 보완한 구조인데,

그림과 같이 anode의 두께가 두껍습니다.

이 경우에 anode에 금속을 쓰는데 전기 전도도가 있어서 

1번에 비해 높은 출력을 가집니다. 하지만 치밀한 electrolyte층이 얇아 안정성이 떨어지는 단점이 있습니다.

anode는 다공성 구조이기 때문에 두꺼워도 안정하지 않습니다.

 

3.) metallic substrate

 

이 경우 위의 구조에서 안정성을 더 확보한 구조입니다.

이 경우 metallic substrate도 물론 다공성이지만 완전 금속을 사용하여 기계적인 강도가 높습니다.

하지만 금속이므로 화학적 안정성은 여전히 좋지 않습니다.

 

4) 원통구조

위의 구조를 동그랗게 말아 내구도를 더 높인 구조에 해당합니다 하지만 이경우

다음과 같이 원통형 구조 속 빈틈이 생겨 낮은 출력 밀도를 가지는 단점이 생깁니다.

 

5.) 위와 같은 구조가 수직으로 cathod/electrolyte/anode를 쌓았다면,

수직과 수평 모두 쌓은 구조도 존재합니다. 이경우 고전압을 확보합니다.

 

SOFC연료전지의 전체적인 구조를 알아보도록 하겠습니다.

위와 같은 구조에서 보면 연료전지 (FC)을 돌리기 위해 연료 CH4를 썼다고 하겠습니다.

CH4에서 연료전지에 필요한 H2를 생산하기 위한 reformer이 있고 이러한 reformer에서 CH4+H2O->CO2+3H2 반응이 일어나 수소가 연료전지에 공급됩니다. 이때 CH4는 열교환기를 거쳐 올라가고, 물 또한 열교환기를 통해 증기로 변해 올라갑니다. 또 fuel cell 에 연료가 공급되어 사용되고 남은 것이 버려지지 않고 fuel burner로 가서 태워져 열이 생성됩니다. 이러한 열은 reformer에서 반응이 일어나도록 합니다. 

또한 공기를 통해 O2가 공급이 되는데 이때 열교환기를 통해 압축된 공기가 가열되며 이것이 터빈을 돌리고 fuel cell로 산소가 공급되게 됩니다. 터빈에서는 전체적인 장치를 돌리는데 필요한 전기를 만들기도 합니다.

이렇게 복잡한 구조의 전체적인 연료전지 시스템에 의해 전력이 생산되는 것입니다.

 

이러한 SOFC는 여러가지 측면에서 장점이 있기 때문에 어느정도 필요성을 다 충족하여 어떠한 전지를 골라야 할때 무난한 연료전지가 됩니다.

 

5. PEMFC (polymer electrolyte membrane fuel cell)

PEMFC는 가장 최근에 개발된 연료전지의 형태인데,

PEMFC는 낮은 온도에서 동작하고 (약 80도) 백금촉매를 사용하게 됩니다.

백금촉매를 쓰므로 비용은 올라가게 되었습니다.

PEMFC는 가장 간단한 형태의 fuel cell로 전해질 소재로 고분자 전해질 막을 쓴 고체 전해질을 사용하게 됩니다.

물론 고체전해질을 사용하므로 부식성이 없고 압력차에서도 견딜 수 있는등의 장점이 존재하게 됩니다.

출력밀도가 굉장히 높고 무게와 부피가 작은 장점을 가집니다.

가격이 비싸지만 출력밀도와 낮은 무게가 필요한 자동차 등에 잘 쓰입니다.

하지만 백금촉매의 단점인 백금에 CO에 의한 오염이 발생하기도 하므로 이러한 poisoning에 대한 내성을 가진 Ru등을 통해 합금화가 필요합니다.

이름의 polymer electolyte membrane 의 membrane은 말 그대로 고체 막인데요

재료는  telflon (CF2로 이루어진 분자사슬구조)의 기본 골격에 side chain의 형태입니다.

두께는 50~180μm 입니다.

이러한 backbone과 sidechain의 형태로 사이사이에 물분자가 들어가게 됩니다.

CO에 의한 poisoning을 최소화하기 위해 Ru분자를 첨가하여 합금형태로 만들게 됩니다.

 

6. DMFC (direct methanol fuel cell)

위의 연료전지들은 결국 연료를 reforming을 통해 수소와 산소를 썼지만

DMFC는 연료를 직접 공급하는 경우에 해당합니다.

DMFC은 효율이 낮다는 단점이 있습니다.

그 이유는 연료로 메탄올을 직접 사용하게 될때 electrolyte를 통해 crossover하며 수소가 cathode쪽으로 가게 됩니다.

이 경우 연료손실/crossover시 백금촉매 위에서 poisoning을 일으켜 기전력이 떨어지기 때문입니다.