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 공급
- (-)극의 수소는 전자를 내놓고 전해질을 통해 (+)극으로 이동하여 산소 분자와 만나 물과 열을 생성
- 수소가 내놓은 전자는 외부 회로를 따라 (+)극으로 이동하여 전류가 흐름

결국 연료전지의 전기에너지 발생은 전자과잉상대인 음극쪽의 전자가 공기중에 포함된 산소로
전자가 이동하면서 발생하는 전위차에 의한 현상이다.
H₂0는 초기에 전자를 제공하고 양극으로 이동한 수소 양이온과 전자를 받아 대전된 산소가 제거되는
과정에서 발생하는 부산물입니다

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

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

양극 (Anode) 외부에서 공기를 불어주면 촉매가 산소분자가 전자 흡수하도록 여기 시기는 작용을 촉진하며,
전자과잉상태에 있던 전자들이 음극에서 양극로 이동하면서 산소가 (-)로 대전된다.
(이때 전자가 이동하면서 전류가 흐른다)
그 이후 H(+)와 O(2-)가 결합하여 H₂0가 된니다.

전압차 이때 음극과 양극 사이에 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.
수소전기차의 고분자전해질 연료전지(PEMFC11, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 주로 사용됩니다

style="width: 100%; center; line-height: 1em;">

구분	알카리 (AFC)	인산형 (PAFC)	용융탄산염형 (MCFC)	고체산화물형 (SOFC)	고분자 전해질형 (PEMFC)	직접매탄올 (DMFC)
전해질	알카리	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 순서되로 입니다
*AFC(Alkaline Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid FC), MCFC(Molten Carbonate),
SOFC(Solid Oxide), PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane), DMFC(Direct Methanol)

연료전지 종류별 특성

연료전지 자동차에는 PEMFC 사용

- 자동차 적용을 위해서는 적은 공간, 무게에서 고출력 필요
- 얇은 고분자막을 적용하고 부피, 중량 출력 밀도가 높은 PEMFC가 적합함

- 액체 전해질 사용에서 발생하는 부식, 유출, 농도 조절 없음
- 고분자막 사용으로 작동 온도는 100도 이하이고, 구동 온도가 낮아 시동 시간이 짧음

- 작동 온도가 낮음 ->전극반응속도 낮음
->낮은 전극반응속도를 증가시키기 위해 귀금속 촉매(Pt)사용
- 낮은 작동온도에서는 촉매 피독 현상 증가 ->수소의 순도를 높여야 함
- 낮은 온도에 따라 발생하는 문제인 귀금속 사용, 피독 문제 해결과 관련한 기술 개발 필요

연료전지 발전 현황

알칼리형(AFC : Alkaline Fuel Cell)

- 1960년대 군사용(우주선 : 아폴로 11호)으로 개발
- 순 수소 및 순 산소를 사용

인산형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell)

- 1970년대 민간차원에서 처음으로 기술개발된 1세대 연료전지로 병원, 호텔, 건물 등
분산형 전원으로 이용
- 현재 가장 앞선 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있음

용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)

- 1980년대에 기술개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지,대형건물의
분산형 전원으로 이용
- 미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중(250㎾ 상용화, 2MW 실증)

고체산화물형(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)

- 1980년대에 본격적으로 기술개발된 3세대로서, MCFC보다 효율이 우수한 연료전지,
대형발전소, 아파트단지 및 대형건물의 분산형 전원으로 이용
- 최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나
우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이 가장 낮음

고분자전해질형(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane)

- 1990년대에 기술개발된 4세대 연료전지로 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용
- 가장 활발하게 연구되는 분야이며, 실용화 및 상용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있음

직접메탄올연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)

- 1990년대 말부터 기술개발된 연료전지로 이동용(핸드폰, 노트북 등)전원으로 이용 - 고분자전해질형 연료전지와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야임

용도별 분류

연료전지에서 생산되는 전류는 반응 면적에 비례하며
전압은 셀 적층 개수에 따라 자유롭게 조절이 가능하여 다양한 분야에 사용될 수 있고,
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 포함	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 이용됩니다	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 포함됨	PEMFC DMFC

구동 온도에 따른 분류

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