연료전지의 종류

배터리가 전기를 저장하는 장치라면 연료전지는 전기를 만들어내는 발전기와 같은 장치이다.
즉 수소연료전지는 "수소가 에너지원으로 주입되어 돌아가는 발전소"이다.
연료전지는 2개의 전극(음극과 양극)과 그 사이에 전해질 막으로 구성되어 있다.

전해질을 사이에 두고 (-)극에는 수소를, (+)극에는 산소를 공급한다.
(-)극의 수소는 전자를 내놓고 전해질을 통해 (+)극으로 이동하여 산소 분자와 만나 물과 열을 생성한다.
수소가 내놓은 전자는 외부 회로를 따라 (+)극으로 이동하여 전류가 흐른다.

결국 연료전지의 전기에너지 발생은 전자과잉상태인 음극 쪽의 전자가 공기 중에 포함된 산소로 이동하면서 발생하는 전위차에 의한 현상이다.
H₂O는 초기에 전자를 제공하고 양극으로 이동한 수소 양이온과 전자를 받아 대전된 산소가 결합하여 제거되는 과정에서 발생하는 부산물이다.

음극(Cathode)
수소분자는 연료전지의 한쪽(음극)에서 촉매에 의해 수소 양이온(H⁺)과 전자(e^-)로 분리된다.
그 다음 수소 양이온만이 전해질 박막(PEM)을 통과하여 셀의 반대쪽(양극)으로 이동한다.
전자는 박막을 통과할 수 없기 때문에 음극 측은 전자과잉상태가 된다.

전해질
양이온은 전해질 박막을 통해 셀 반대쪽으로 이동하며, 수소이온은 전해질을 통과하여 양극(Anode) 쪽으로 전달된다.

양극(Anode)
외부에서 공기를 불어주면 촉매가 산소분자가 전자를 흡수하도록 여기시키는 작용을 촉진하며, 전자과잉상태에 있던 전자들이 음극에서 양극으로 이동하면서 산소가 (-)로 대전된다.
(이때 전자가 이동하면서 전류가 흐른다.)
그 이후 H⁺와 O^2-가 결합하여 H₂O가 된다.

전압차
이때 음극과 양극 사이에 약 0.7V의 전위차가 발생하며, 이 전압을 직렬로 연결하여 더 높은 전압을 생성할 수 있다.

연료전지의 종류 비교

연료전지는 어떤 전해질을 사용하느냐에 따라 구분되며, 이에 따라 사용연료와 산화제가 달라지게 된다.
수소전기차에는 고분자전해질 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 주로 사용된다.

구분	알칼리형 (AFC)	인산형 (PAFC)	용융탄산염형 (MCFC)	고체산화물형 (SOFC)	고분자 전해질형 (PEMFC)	직접메탄올형 (DMFC)
전해질	알칼리	인산염	탄산염	세라믹	이온교환막	이온교환막
동작온도 (℃)	50~120	150~250	550~700	600~1,000	50~100	50~100
촉매	니켈	백금	페로브스카이트	니켈	백금	백금
전하 전달 이온	OH^-	H⁺	CO₃^2-	O^2-	H⁺	H⁺
가능한 연료	H₂	H₂ + CO	H₂ + CO	H₂ + CO	H₂	메탄올
산화제	O₂	O₂	CO₂, O₂	Air, O₂	O₂	O₂
효율(%)	85	70	80	85	75	40
용도	우주발사체 전원	중형건물 (200㎾)	중/대형건물 (100㎾~㎿)	소/중/대용량 발전 (1㎾~㎿)	가정/상업용 (1~10㎾)	소형이동 (1㎾ 이하)
특징	-	CO 내구성 큼 열병합대응 가능	발전효율 높음 내부개질 가능 열병합대응 가능	발전효율 높음 내부개질 가능 복합발전 가능	저온작동 고출력밀도	저온작동 고출력밀도

상기 도표는 기술발전 순서대로 정리된 것이다.
* AFC(Alkaline Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid FC), MCFC(Molten Carbonate FC),
SOFC(Solid Oxide FC), PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane FC), DMFC(Direct Methanol FC)

연료전지 종류별 특성

연료전지 자동차에는 PEMFC 사용

자동차 적용을 위해서는 적은 공간, 무게에서 고출력이 필요하다.
얇은 고분자막을 적용하고 부피, 중량 출력 밀도가 높은 PEMFC가 적합하다.
액체 전해질 사용 시 발생하는 부식, 유출, 농도 조절 등의 문제가 없다.
고분자막 사용으로 작동 온도는 100℃ 이하이며, 구동 온도가 낮아 시동 시간이 짧다.
작동 온도가 낮아 전극 반응 속도가 낮다.
→ 낮은 전극 반응 속도를 증가시키기 위해 귀금속 촉매(Pt)를 사용한다.
낮은 작동 온도에서는 촉매 피독 현상이 증가하므로 수소의 순도를 높여야 한다.
낮은 온도에 따라 발생하는 문제인 귀금속 사용, 피독 문제 해결과 관련한 기술 개발이 필요하다.

연료전지 발전 현황

알칼리형(AFC : Alkaline Fuel Cell)

1960년대 군사용(우주선: 아폴로 11호)으로 개발되었다.
순수 수소 및 순수 산소를 사용한다.

인산형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell)

1970년대 민간차원에서 처음으로 기술 개발된 1세대 연료전지로 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 이용된다.
현재 가장 앞선 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있다.

용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)

1980년대에 기술 개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지, 대형건물의 분산형 전원으로 이용된다.
미국, 일본에서 기술 개발을 완료하고 성능평가 진행 중이다. (250㎾ 상용화, 2MW 실증)

고체산화물형(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)

1980년대에 본격적으로 기술 개발된 3세대로서, MCFC보다 효율이 우수한 연료전지이며 대형발전소, 아파트단지 및 대형건물의 분산형 전원으로 이용된다.
최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나, 우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이 비교적 낮다.

고분자전해질형(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)

1990년대에 기술 개발된 4세대 연료전지로 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용된다.
가장 활발하게 연구되는 분야이며, 실용화 및 상용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있다.

직접메탄올연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)

1990년대 말부터 기술 개발된 연료전지로 이동용(휴대폰, 노트북 등) 전원으로 이용된다.
고분자전해질형 연료전지와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야이다.

용도별 분류

연료전지에서 생산되는 전류는 반응 면적에 비례하며, 전압은 셀 적층 개수에 따라 자유롭게 조절이 가능하여 다양한 분야에 사용될 수 있다.
용도에 따라 고정형(Stationary), 수송형(Transport), 휴대형(Portable)으로 구분할 수 있다.

[용도별 분류]

분류	상세 내용	포함기술
고정형	물리적으로 이동하지 않고 한 곳에 고정으로 설치되는 용도 (평균전력: 0.5kW~100kW) 대형/분산발전용, 가정용, 건물용, 백업전원(Uninterruptible Power Supply, UPS) 등이 포함된다.	PEMFC PAFC MCFC SOFC
수송형	이동 수단에 직·간접적으로 추진력을 제공 또는 이동거리를 늘릴 수 있게 보조하는 용도 (평균전력: 1kW~100kW) 개인 자동차, 2·3륜 차량, 대중교통(버스, 트램 등), 물류운반(지게차, 트럭) 및 선박용 등에 이용된다.	PEMFC MCFC DMFC SOFC
휴대형	손쉽게 휴대할 수 있는 장치에 내장되거나, 이의 충전용도로 사용되는 제품 (평균전력: 1W~20kW) 이동 수단 외(레저용 차량 및 보트 등)의 보조전원(Auxiliary Power Unit, APU), 휴대형 전자기기(휴대폰, 노트북 등), 군사용 등이 포함된다.	PEMFC DMFC

구동 온도에 따른 분류

고온형 연료전지 : MCFC, SOFC
저온형 연료전지 : AFC, PAFC, PEMFC

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