PEMFC와 SOFC의 분석과 적용 용인 성지고등학교 30922 정근호 목차 1. 서론(탐구 동기와 그를 통해 발전하고 싶은 점 등) 2. 연료전지의 정의 2-1) 관련 실험 3. PEMFC, SO FC의 역사 4. PEMFC, SO FC의 구조와 발전 원리 5. PEMFC의 특성 6. SOFC의 특성 7. 두 연료전지의 비교와 대조 8. 두 연료전지의 적용 9. 소감 서론 나는 평소 수소 연료 전지에 대해 많은 관심을 가지고 있었고, 앞으로의 미래에서 수소에 너지가 어떻게 사용될 지 기대를 하며 공부를 하고는 한다. 수소연료전지 중에서도 가장 많 이 사용되고 앞으로도 주로 사용될 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)를 심도 있게 분석해보고 싶어서 이러한 주제를 선정하게 되었 다. PEMFC와 SOFC를 공부하는 과정에서 다른 연료전지와의 연관성을 통해 연료전지의 전 반적인 이해를 높이고 싶고, 이를 통해 전체적인 나의 성장을 기대한다. 연료전지의 정의 1) 전지에는 수많은 종류가 있다. 수은전지나 망간건전지와 같은 일차전지부터 리튬 이온 전 지와 같은 이차전지, 태양전지까지 넓게는 화학전지와 물리전지로 구분되고, 그 화학전지 안 에서는 연료전지, 이차전지, 일차전지 등으로 나뉜다. 그 중에서도 지금 설명하려 하는 연료 전지는 수소 연료를 사용하는 전지와 메탄올 연료를 사용하는 전지로 나뉘며, 전해질의 종 류에 따라 연료전지의 종류가 다시 나뉜다. 연료전지는 원료 물질이 가진 화학에너지를 기 - 1 - 계적인 에너지로 변환시키지 않고 전기화학적 변환방법을 이용하여 직접 전기에너지로 변환 시킨다. 연료전지는 장시간의 충전과정을 거치는 2차 전지와는 달리 연료가 외부에서 지속 적으로 공급되는 한 계속해서 전기를 발생시킬 수 있는 일종의 발전장치이다. 연료전지는 생성물이 물이기 때문에 환경오염이 적고, 지구온난화를 유발하는 온실가스 양을 감소시킬 수 있으며, 광화학 스모그와 건강문제를 야기하는 공해물질을 배출하지 않는다. 수소는 국내 에서 이용 가능한 에너지원인 화석연료, 재생에너지, 원자력 등의 다양한 에너지원으로부터 생산할 수 있기 때문에 외국에서 수입하는 원유의 의존성을 감소시킬 수 있다. 관련실험 – 화학전지 실험 2) 재료 : 전해질 생성에 쓰일 약품들(수산화나트륨, 염화칼륨, 염화나트륨), 비커, 전극으로 사 용할 탄소, 화학전지, 도선, 유리막대, 스포이드, 집계병, 고무마개 주제 : 화학전지를 이용한 물분해 실험을 통하여 연료전지의 원리를 이해한다. 실험방법 : 전해질의 종류에 따라 반응을 시작하는 시간, 일정 시간이 지난 후 전압계로 전 압을 측정하여 차이점을 알아본다. 1. 전해질에 사용할 화학약품을 잘게 부순다. 2. 비커에 약품을 종류에 따라 각각 40g씩 넣는다. 3. 약품이 들어있는 비커에 증류수를 각각 200ml씩 스포이드를 이용해 놓아준 뒤, 잘 용해되 도록 섞는다. 4. 화학전지와 전극을 도선으로 연결한 뒤 전극을 전해질에 넣는다. 5. 전극을 넣은 뒤 반응이 시작될 때의 시간을 체크한다. 6. 실험을 시작한 5분 후 화학전지와의 연결을 해제하고 전압계와 연결하여 전압을 측정한다. 7. 측정된 수치의 전류를 체크한다. 전해질 종류에 따른 반응 속도와 전압 확인 실험결과 1. CaCl 반응 : 기포생성 기포생성에 걸린 시간 : 실험 시작 후 1분 실험시작 후 5분째에 전압측정 7.5v - 2 - 2. NaOH 반응 : 기포생성 기포생성에 걸린 시간 : 실험 시작 후 바로 실험 시작 후 5분째에 전압측정 5v 3. NaCl 반응 : 기포생성 기포생성에 걸린 시간 : 실험 시작 후 바로 실험 시작 5분째에 전압측정 2.5v 결과분석 : CaCl용액이 전해질로써 역할을 가장 잘 수행했지만, 기포생성에 걸리는 시간에 있어서 NaOH와 NaCl보다는 느리다. PEMFC와 SOFC의 역사 3) 연료전지는 1839년 영국의 윌리엄 그로브 경에 의해 처음으로 고안되었다. 그로브 경의 발견 이후 영국의 과학자인 L. Mond와 C. Langer는 연료전지라는 용어를 최초로 사용하였 으며, 석탄가스를 이용한 연구와 개발뿐 아니라 고체 석탄을 직접 연료로 사용하는 연구를 수행했지만, 성공하지는 못하였다. 1900년경, W. Nernst는 이르튬 안정화 지르코니아(YSZ)가 고온에서 산소이온을 전도하는 것을 발견하여 고체산화물연료전지(SOFC)의 기초를 제공하 였고, 1960년대에 이르러 시스템이 구현되었다. 듀폰사는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 핵심소재인 나피온막을 개발하였고, 1962년에 1KW급 PEMFC 스택 2개로 이루어진 모듈을 Gemini 우주선 3호부터 12호에 사용했다. 1990년대 Ballard사는 PEMFC의 기술을 대폭향상 했고, KIST 연료전지센터에서도 2000년 5KW급 스택을 제작하여 골프카트에 적용한 바가 있 다. PEMFC, SOFC의 구조와 발전 원리 두 연료전지 모두 큰 범위에서는 원리가 같다. 우선, 연료극에서 수소가 수소이온과 전자 로 분해된다. 수소이온은 전해질을 거쳐 공기극으로 이동되고, 전자는 외부회로를 거쳐 전류 를 발생시킨다. 마지막으로 공기극에서 수소이온과 전자, 산소가 결합해 물이 된다. 하지만 두 연료전지의 전해질이 다르기 때문에 구조가 다를 수 있다. PEMFC의 구조와 발전원리 4) - 3 - 고분자전해질 연료전지의 기본구조는 고분자전해질 막을 중심으로 양쪽에 산화전극과 환원 전극이 부착되어 있는 형태로 되어 있으며 구조와 발전 원리는 밑의 그림과 같다. 그림 : 고분자전해질연료전지(PEMFC)의 구조와 원리 고분자전해질 연료전지의 주요 구성요소는 고분자전해질 막과 전극, 그리고 스택을 구성 하기 위한 분리판으로 이루어져 있다. 특히 산화전극과 환원전극을 고분자전해질 막에 부착 시킨 것을 고분자전해질 막-전극 접합체 (membrane-electrode assembly, MEA)라고 하는데, 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다. 연료전지 스택 (stack)은 전기화학반응이 일어나는 단위전지 (single cell)를 수십, 수백 개 씩 적층함으로써 구성된다. 여기서 단위전지란, 위 그림에서 발생하는 약 1.23V의 전압을 발 생시키는 전지(cell)를 뜻한다. 7) 고분자전해질 연료전지의 전해질은 H＋를 전달하는 고분자 이온교환막을 사용한다. 고분 자막은 anode와 cathode 사이에서 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할도 한다. 따라서 고분자전해질 막은 수소이온전도성은 높아야 하는 대신 전자의 전도성은 낮아야 하고 이온의 이동에 비하여 반응기체나 물의 이동이 적어야 하며 기계적 및 화학적 안정성을 가지고 있어야 한다. 현재 Du Pont에서 개발한 Nafion 막이 주로 사용되고 있는데, 현재 개발되어있는 고분자 전해질 막은 어느 정도 수화되어야 수소이온 전도성을 나타낸다. 고분자막이 수분을 잃고 건조해지면 수소이온전도도가 떨어지게 되고 막의 수축을 유발하여 막과 전극 사이에 접촉 저항을 증가시킨다. 이와 반대로 물이 너무 많으면 전극에 flooding 8)현상이 일어나 전극 반응속도가 저하되므로, 적절한 양의 수분을 함유하도록 유지하기 위한 물관리가 매우 중요 하다. SOFC의 구조와 발전원리9) - 4 - 9) 일반적인 SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 있는 공기극 및 dusfrmr으로 이루 어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 상성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극 으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하면, 연료극에서 전자 가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것 이 기본 작동원리이다. 고체산화물 연료전지의 작동 조건은 전지의 출력 안정성 등의 전지 성능에 큰 영향을 미친다. 따라서 온도와 압력을 포함한 여러 작동 조건은 구성요소 연료 주변 장치와 같은 발전 시스템의 구성요소뿐만 아니라, 연료전지의 안정성 및 그 응용분야에 따라서 결정되어 진다. 고체산화물 연료전지는 주로 600-1000 ℃에서 작동되며, 이는 현재까지 알려진 연료 전지의 작동온도 중 가장 높은 것이다. 작동온도가 높은 주된 이유는 고체산화물 연료전지 의 전해질 및 전극이 고온에서만 충분한 전기전도도를 나타내기 때문이다 PEMFC의 특징 6) PEMFC의 장점으로는, 부피와 무게가 적고, 짧은 시동시간을 가지고 있다는 것과 작동수 명이 긴 것, 저온 운전이 가능하다는 것과 출력 범위가 다양하다는 것 등이 있다. 특히 낮은 작동온도가 부각되는데, 낮은 작동온도로 인해 응용범위의 제한이 적고, 전극반응의 발열을 개질5)반응의 흡열에 이용할 수 없다는 측면에서는 단점이다. 즉, 폐열 온도가 낮고, 폐열 이 용이 온수에만 국한되어 사용된다는 것이다. 또한 전해질로 고분자막을 사용하므로 전해질 손실이 없고, 기존의 확립된 기술인 메탄올 개질기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화에 도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 연료전지 본체 재료로 여러 가지를 사용할 수 있는 동시에, 부피와 무게도 작동원리가 같은 인산 연료전지에 비해 작다. - 5 - SOFC의 특징 고체산화물 연료전지인 SOFC는 그 이름에 맞게 고체상태의 비 다공성 고체산화물의 혼합 물을 전해질로 사용한다. SOFC는 연료전지 가운데 가장 효율이 높은데, 기본적으로 55%의 효율을 내고 열병합 발전을 할 시 90%의 효율까지 낼 수 있다. 또한 연료전지의 기본 특성 상 공해가 적다. 기하학적인 모양에 따라 원통형, 평판형, 일체형 등으로 구분되며, 부식문 제, 고가의 촉매, 전해질 제어 등의 단점이 없다. 탄화수소를 직접 연료로 사용 가능하며, CO로부터 안전하며, 상업적으로 발전설비, 자동차 등의 응용을 위해 개발 중이다. 약 600도 에서 1000도인 고온도에서 작동되기 때문에 구성요소의 대부분이 세라믹 및 내열성 금속으 로 구성되어 있다. 고온에서 작동되므로 전극반응이 원활하고 전기출력이 크다는 장점이 있 다. 하지만 이런 고온작동은 작동온도가 낮아질 경우 충분한 출력을 얻을 수 없다는 것과 고온에서 작동하므로 주변재료의 선택에 한계가 있다는 단점이 존재한다. 두 연료전지의 비교와 대조 두 연료전지의 이름이 다른 것에서 알 수 있듯이, 두 연료전지의 전해질이 다르다. PEMFC 는 그 이름에서와 같이 고분자 이온 교환막(nafion )을 이용하고, 고체산화물 연료전지는 고 체전해질을 사용한다. 발전 효율은 서로 비슷하고, 전해질 관리가 쉽다는 유사점이 있다. 하 지만 주 작동 온도를 볼 때, PEMFC는 60~100도인데 반해서 SOFC는 주 작동온도가 600~1000도라는 큰 차이가 발생한다. PEMFC는 빠른 시동이라는 장점과 고가의 촉매가 필 요하고 연료 불순도에 따른 높은 민감성을 가진다는 단점을 갖는 데에 반해 SOFC는 연료의 유연성이 높고 다양한 촉매가 사용가능하며 열병합발전에 적절하지만 전지부품의 부식과 파 손이 증가한다는 단점을 가지고 있다는 차이가 있다. 이를 표로 정리하면 다음과 같다. - 6 - 연료전지 전해질 열병합 주작동 발전효율 온도 적용 장점 -고체 고분자 PEMFC 이온 교환막 70~90 -비상발전용 전해질의 -휴대용전원 관리문제 -소형 저감 분산발전 -저온 가동 -수송용 -빠른 시동 60~100 (Nafion) 단점 -고가의 촉매 필요 -연료 불순도에 따른 높은 민감성 -고체 전해질의 관리문제 -보조전원 SOFC 고체전해질 90이하 600~10 00 -전력계통 사업용 -대형 분산발전 저감 -고효율 -전지 -연료 부품의 유연성 부식과 -다양한 파손 증가 촉매 사용가능 -열병합발 전에 적절 \ 두 연료전지의 적용 PEMFC -수송용 : 승용차, 버스, 전동기차, 잠수함 등 -발전용 : 이동식 발전기, 설치형 발전기, 건물용, 보조 전원 SOFC -분산발전기 시장, 선박용 엔진 시장, 보일러, APU 시장 -발전용 : 가정용 발전용(1~10KW) > 도서 벽지나 항시 전원 필요 장소에 적합 > 산업용보다는 출력이 작고 연간 가동시간이 짧음 > 시스템이 간단해야 하고 저비용화 : 중규모 발전용(100~1000KW) > 산업용으로 비교적 빠른 시기에 적용될 것 > 대용량 시스템에 대한 요구가 크기 때문에 스택에 대한 제조기술의 확립 필요 : 대형 분산발전용(수 MV 이상) > 가장 높은 신뢰성과 낮은 제조비용 요구 >연료전지에 가스터빈과 연계한 복합 시스템 가능 - 7 - 소감 탐구 보고서 주제를 선정하면서부터 보고서를 쓰기 위해 정보를 수집하는 과정, 그리고 그 정보를 해석하고 사용하는 과정, 보고서를 쓰는 과정까지 모든 과정에서 쉬운 것이 없었다. 이 보고서를 쓰면서 가장 좋았던 점은 쓰기 이전과는 다른 연료전지 이해도였다. 예를 들어 개질이라는 단어조차 이해하지 못했던 과거와는 달리 스택이 무엇인지, 전지가 무엇인지 등 많은 것을 나 스스로 설명해낼 수 있게 되었다는 것이 매우 감명 깊었다. 아쉬운 점들 중 하나는 아직도 이해하지 못한 부분들이 많다는 것이다. 그 중 하나만 꼽자면, 참고를 도와주 기 위해 작성한 밑의 빨간 글씨로 써져 있는 글들 중 7)을 제대로 이해하지 못함에도 불구 하고 후에 다시 이해할 수 있을 것이라고 믿고 작성했다. 하지만 보고서를 모두 쓰기까지 이해하지 못한 것이 현실이다..이런 아쉬움 외에도 영어로 작성된 문서를 제대로 알지 못하 는 문제, 내가 계속해서 수집한 자료들 중 정말 10%밖에 쓰지 못하여서 내가 가진 모든 것 들을 모두 다 작성하지 못했다는 아쉬움 등이 있다. 하지만 그래도 이런 탐구보고서 작성 덕분에 여러 개인적인 성과도 이루었고 초기 목표를 달성함과 동시에 많은 경험을 쌓을 수 있었기에 매우 기쁘다. 나 스스로도 이 탐구 보고서 작성을 통해 자료 수집 능력이나 요약 하는 능력 등 수많은 부분에서 성장함을 느꼈다. 만약 앞으로 다른 보고서를 쓰게 되는 기 회가 돌아온다면 이번 보고서에서 느낀 아쉬운 점들과 배운 점들을 모두 고려하여 더욱더 완벽한 보고서를 쓸 수 있기를 바란다. ------------------------------------------------------------------------------------------------------1)신재생에너지원인 수소연료전지의 원리와 응용 : 전기의 세계 = The proceedings of KIEE v.61 no.11 , 2012년, pp.15 – 22 심중표 (군산대 ) ; 이창래 ( 한국재료연구소 ) ; 이홍기 ( 우석대) 2) https://blog.da um.net/jhr2580/8264 3 ) https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=ycl2k&logNo=221427320286 4 ) https://www.korea-autonews.com/entry/%EA%B3%A0%EB%B6%84%EC%9E%90-%EC%A0%84%ED%95% B4%EC%A7%88-%EC%97%B0%EB%A3%8C%EC%A0%84%EC%A7%80Polymer-Electrolyte-Membrane-Fu el-Cell-PEMFC 5) 수소를 여러 가지 연료에서 추출하는 것을 뜻한다. 6) https://www .cheric.org /files/research/ip/p200513/p200513-101.pdf 7) 일어나는 반응으로만 보면 하나의 전지당 1.23 V의 전압이 발생하지만 실제 가동을 통해 생성되는 전압은 약 절반의 수치인 0.6~0 .7V이다. 그 이유는 밑의 그림과 같다. - 8 - https://m.blog.naver.com/age ntenerg y17/221406139676 이 그림은 조금 헷갈릴 수 있는 데 ic가 산화 전류니까 전류는 위쪽이 음의 값입니다. 왼쪽이 산소, 오 른쪽이 수소인데 연료전지에서 일어나는 반응은 산소의 환원(ORR), 수소의 산화(HER)이므로 그 부분 을 실선으로 표시한것 입니다. 단순히 말하면 산소전극과 수소전극의 과전압을 빼야하기 때문에 0 .8V 가 나옵니다. 여기에 추가적으로 전체 전극에서의 저항에따른 전압강하 iR을 빼주기 때문에 단일 cell 에서는 0.6~0.7V가 형성됩니다. 그렇기에 연료전지의 작동전압을 최댓값인 Ecell 에 근접시키기 위해선 양쪽 전극에서의 과전압을 줄 이고 전해질을 포함한 모든 저항을 주여야 합니다. 8) 과수분 : flooding현상 -> 반응속도 저하. -flooding : 공기극에서 생성된 물이 공기극에 고여서 전극의 미세 기공을 막아버리는 현상 -대구가톨릭대학교 에너지신소재공학과 한윤수 9 ) https://www.korea-autonews.com/entry/%EA%B3%A0%EC%B2%B4%EC%82%B0%ED%99%94%EB%AC% BC-%EC%97%B0%EB%A3%8C%EC%A0%84%EC%A7%80Solid-O xide-Fuel-Cell-SOFC - 9 -