연료전지 종류별 특징 I – PEMFC 개요 및 스택

4주차

대구가톨릭대학교 에너지신소재공학과

한윤수

■ 과목명: 연료전지이론

목 차

1. PEMFC 개요 및 특징

2. PEMFC 스택

1. PEMFC 개요 및 특징

4 연료전지이론

○ 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC) 개요

- 전해질로 고분자이온교환막을 이용

- 양성자교환박막형 (proton exchange membrane; PEM) 연료전지라고도 부름

- 초기에는 탄화수소계 이온교환막, 현재는 불소수지계 이온교환막

(DuPont의 Nafion) 적용

⇒ 초기: Sulfonated phenolformaldehyde, Polystyrene-divinylbenzene

sulfonic acid 사용

⇒ 현재: Nafion, Polytrifluorostyrene sulfonic acid (불소계가 안정성 우수) 사용

- 산화전극은 Pt/Ru 촉매를 함유하는 다공성 탄소전극, 환원전극은 Pt 촉매를

함유하는 다공성 탄소전극을 이용

1. PEMFC 개요 및 특징 개요 (I)

5 연료전지이론

○ 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC) 개요

- 낮은 작동온도: 상온~100 ℃

⇒ 낮은 작동온도로 인해 응용범위의 제한이 적음

⇒ 전극반응의 발열을 개질반응의 흡열에 이용할 수 없다는 측면에서는 단점임

⇒ 즉, 폐열 온도가 낮고, 폐열 이용이 온수에만 국한되어 사용

- 다른 연료전지와 비교하면 높은 전력밀도를 제공하고 중량과 체적이 작은 장점

⇒ 적합한 동력 대비 중량비로 인하여 PEMFC는 자동차나 버스와 같은

승용차에 적당

- 저가격화, 고성능화 및 장수명화를 위한 개발이 진행 중

1. PEMFC 개요 및 특징 개요 (II)

6 연료전지이론

○ 작동원리: 산화환원 반응

고분자전해질 연료전지 작동원리

구조 & 작동원리

Anode : H2 → 2H+ + 2e- Eo = 0V

Cathode : 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O Eo =1.23V

Overall : H2 + 1/2O2 → H2O

1.2 kW Ballard사 PEMFC 스택

• 이론적 기전력은 1.23V이나 전해질/전극에 존재하는 내부저항, 전하이동저항 등 다양한 요소에 의해 실제로는 이론 기전력 보다 낮은 0.7V를 보임

1. PEMFC 개요 및 특징

7 연료전지이론

시스템 개략도 1. PEMFC 개요 및 특징

○ PEMFC 전체 시스템 (I)

※ 출처: 한인수, “PEMFC 연료전지 셀스택의 최적 설계”, GS칼텍스주식회사 발표자료.

8 연료전지이론

○ PEMFC 전체 시스템 (II)

1. PEMFC 개요 및 특징

9 연료전지이론

PEMFC와 DMFC 차이점

직접 메탄올 연료전지의 작동원리

산화환원반응

Yamaha Motor 사의 연료전지 스쿠터 FC-me

○ 직접 메탄올 연료전지: Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) 주요특징 - 전해질로 고분자이온교환막을 이용(PEMFC와 동일), 메탄올을 직접 연료로 이용 - 전기화학적으로 메탄올과 산소를 이용하여 전기, 열, 이산화탄소, 물로 변환 - DMFC에서는 메탄올이 수증기와 혼합되고, 연료전지의 anode판에 연료로 공급 - 공기중의 산소가 산화제이고, 수소의 산화는 존재하지 않으며, 액체 메탄올이 anode판에서 직접산화 - 이론적인 기전력은 약 1.20V (메탄올의 표준환원전위가 수소와 거의 동일: PEMFC는 1.23V) - 소형 휴대용 전원에 적합한 연료전지 (액상 연료를 사용하므로 부피가 적음) - 메탄올은 가솔린이나 디젤연료 보다 에너지 밀도가 약간 작지만, 수소보다 에너지 밀도가 높기 때문에, DMFC는 연료저장의 문제가 없음(크고 무거운 수소 저장장치와 개질장치가 필요치 않음) - 메탄올은 가솔린처럼 액체이기 때문에 현재의 인프라를 사용하면 수송과 공급이 원활

1. PEMFC 개요 및 특징

10 연료전지이론

○ DMFC 제품의 구성품 & MEA 개략도

※ Flow field plates in a fuel cell stack are often referred to as bipolar plates, because they act as an anode side plate for one unit cell and cathode side plate for another, separating reactants and connecting adjacent cells electrically. Similarly, flow field plates of a single cell are sometimes called monopolar plates.

Membrane Electrode Assembly (MEA) ※ 출처: 혼마 타쿠야 감수, 이인숙 옮김, “그림으로 보는 연료전지

“, p.110, 교보문고(2007).

1. PEMFC 개요 및 특징 PEMFC와 DMFC 차이점

2. PEMFC 스택

12 연료전지이론

○ PEMFC 스택의 주요 구성품

2. PEMFC 스택

※ 출처: 한인수, “PEMFC 연료전지 셀스택의 최적 설계”, GS칼텍스주식회사 발표자료.

13 연료전지이론

○ PEMFC 스택 (I) - 스택 구성요소: 전해질막, 촉매층, 가스확산층 및 분리막 ⇒ 전해질막, 촉매층, 가스확산층을 일체화 시킨 것을 전극막접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)라고 하며 두께는 약 1mm임 ⇒ MEA 제조방법 ∙ Hot-pressing method: Anode, Cathode를 만든 후, 전해질막과 Hot-pressing ∙ Direct coating method: 전해질 막에 촉매를 직접 도포한 후 기체확산층(gas diffusion layer; GDL)을 붙임

가스확산층 (GDL)

<PEMFC의 스택 구성> ※ 출처: 혼마 타쿠야 감수, 이인숙 옮김, “그림으로 보는 연료전지“, p.45, 교보문고(2007).

2. PEMFC 스택

14 연료전지이론

○ PEMFC 스택 (II)

2. PEMFC 스택

15 연료전지이론

○ PEMFC 스택 (III)

PEMFC 단일셀(single cell)의 작동원리

Gas diffusion layer

※ 출처: 이석현, “고분자전해질연료전지 금속분리판용 스테인레스강의 전기전도도 및 부식저항성에 미치는 표면개질 효과“, KAIST 박사학위 논문, p.18 (2010).

PEMFC stack의 작동원리

※ 출처: R. Yeetsorn et. al., “A Review of Thermoplastic Composites for Bipolar Plate Materials in PEM Fuel Cells”, Nanocomposites with Unique Properties and Applications in Medicine and Industry, Edited by Dr. John Cuppoletti, p.320 (2011).

2. PEMFC 스택

16 연료전지이론

PEMFC stack에의 수소 및 산소공급의 일례

○ PEMFC 스택 (IV)

※ 출처: 한인수, “PEMFC 연료전지 셀스택의 최적 설계”, GS칼텍스주식회사 발표자료.

2. PEMFC 스택

17 연료전지이론

○ PEMFC 스택 구성부품별 성능을 결정짓는 주요인자

※ 출처: 한인수, “PEMFC 연료전지 셀스택의 최적 설계”, GS칼텍스주식회사 발표자료.

2. PEMFC 스택

감사합니다.