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연료전지 종류 정리 하편

연료전지 종류 정리 하편 SOFC DMFC DEFC PAFC

이번에 준비한 연료전지 종류 정리 하편 내용은 상편에 이어 SOFC, DMFC, DEFC, PAFC 그리고 연료 개질에 관한 설명입니다.

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로서 1937년에 Bauer Preis에 의해 처음으로 작동되었습니다.
  • SOFC는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700~1000도씨)에서 작동합니다.
  • 모든 구성요소가 고체로 이루어져 잇기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없습니다.
  • 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이합니다.
  • 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능합니다.
기본 작동원리
일반적인 SOFC는 산소 이온 전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극, Cathode) 및 연료극(음극, Anode)으로 이루어져 있습니다.
  1. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 산소 이온 생성
  2. 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동
  3. 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성
  4. 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모
  5. 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생


직접 메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)

기본 작동원리
직접 메탄올 연료전지(DMFC)는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양쪽에 각각 음극과 양극이 위치합니다.
  1. 음극에서는 메탄올과 물이 반응하여 수소 이온과 전자를 생성
  2. 생성된 수소이온은 전해질 막을 통해 양극 쪽으로 이동
  3. 양극에서는 수소 이온과 전자가 산소와 결합하여 물을 생성
  4. 전자가 외부 회로를 통과하면서 전류를 발생

실제 사용 시에는 출력을 높이기 위해 단위 전지를 여러 개 묶어서 스택을 만들어 사용하는데, 일반적인 연료전지의 스택에서는 양극판(Bipolar plate)을 사용하지만 마이크로 연료전지에서는 단 극판(Monopolar plate)을 사용합니다.
  • DMFC는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 똑같은 구성요소를 사용하지만, 메탄올을 개질하여 수소로 만들 필요가 없이 직접 연료로 사용할 수 있기 때문에 소형화가 가능합니다.
  • DMFC는 PEMFC에 비해 출력밀도는 낮지만, 연료의 공급이 용이하고 2차 전지에 비해 높은 출력밀도를 보입니다.


직접 에탄올 연료전지 (Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC)

직접 에탄올 연료전지(DEFC)는 직접 메탄올 연료전지와 메커니즘은 같으나, 연료는 에탄올을 사용하며, 출력 전압은 0.5~45V 가량의 연료 전지입니다.


인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)

인산형 연료전지(PAFC)는 액체 인산을 전해질로 이용하는 연료전지입니다.
전극은 카본지(Carbon paper)로 이루어지는데, 백금 촉매를 이용하기 때문에 제작 단가가 높습니다.
  • 카본지의 백금은 연료로서 공급되는 수소 가스 내에 포함되는 일산화탄소에 의해 손상되지 않는다는 장점이 있습니다.

액체 인산은 40도씨에서 응고되어 버리기 때문에 시동이 어려우며, 지속적인 운전 또한 제약이 따릅니다.
  • 150~200도씨의 운전 온도에 이르게 되면 반응 결과물로 생성되는 물을 증기로 바꾸어 공기나 물의 가열에 이용할 수 있습니다.
  • 발생되는 열과 전력을 합했을 때 전체 효율은 80%가량 됩니다.


연료 개질 (Fuel Reforming)

화학적으로 수소를 함유하는 일반 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스, 메탄올 등)으로부터 연료 전지가 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변환하는 공정입니다. 
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