수소 연료 전지 원리, 전해질 종류에 따른 특징 비교

수소 연료 전지의 기본 원리는 산소와 수소를 결합하여 물을 만들고 이때 직류전기가 발생되는 원리입니다. 이러한 연료전지의 구분은 사용하는 전해질과 작동 온도에 따라 크게 2가지 형태로 구분되는데, 수소 연료 전지에 사용되는 전해질의 종류에 따라 6가지 종류로 나눌 수 있는데 각각의 특징을 비교해 보도록 하겠습니다. 

• 수소 자동차에 쓰이는 PEMFC의 전기 발생 원리 
• 전해질에 따른 연료전지들의 특징 비교

 

 

 

고분자 전해질막 연료 전지(PEMFC)의 전기 발생 원리 

음극(연료)에서 촉매를 통해 수소의 산화반응이 발생되고 그로 인해 수소이온이 만들어져 전해질(이동경로)을 통해 양극으로 움직입니다. 따라서 양극(공기)에서 수소이온과 산소가 반응하여 물이 만들어지며, 음극과 양극의 반응으로 인해 전자가 이동하여 전류가 만들어지는 원리입니다. 이 원리를 이용하여 수소 전기 자동차에 대표적으로 사용되고 있는 연료전지이죠.

고분자전해질막 연료전지(PEMFC)의 전기 발생 원리

 

전해질 종류에 따른 연료전지들의 특징 비교

구분	고분자전해질형	직접메탄올형	알칼리형	인산형	용융탄산염형	고체산화물형
	PEMFC	DMFC	AFC	PAFC	MCFC	SOFC
	저온형		중고온형	고온형
전해질	이온교환막	이온교환막	수산화칼슘	인산염	탄산염	세라믹
작동온도	100°C 이하	100°C 이하	120°C 이하	250°C 이하	700°C 이하	1200°C 이하
특징	저온작동 가능 고출력밀도 복잡한 물함량	저온작동 가능 고출력밀도 메탄올 직접연료	순도 높은 수수와 산소 필요	내구성 양호 열병합 가능	발전효율 양호 열병합 가능 발전사이클 복잡	발전효율 양호 복합발전 가능
적용분야	가정용 산업용 가능 (1~10kW) 수소연료전지 자동차	소형, 이동형 (1kW) 드론, 지게차 등	우주발사체	중형 발전 (200kW발전)	중형 발전 (kW ~ MW발전)	소형~대형 발전 (kW ~ MW발전)

 

고분자 전해질막 연료전지(Polymer.Proton Electolyete Membrane Fuel Cell, PEMFC)

• 고분자로 이루어진 막을 전해질로 이용하는 원리로 내구성이 좋고, 구조가 간단하며 저온에서 일정하게 작동되는 장점을 가지고 있습니다. 
• 부피가 작고 전력 밀도가 높아서 수소 전기차, 수송형 동력원 적용에 유효하며, 가장 많이 사용하는 연료전지입니다. 다만, 고순도 수소가 필요하며, 백금 촉매 등 비용이 비싸기 때문에 생산, 제조단가가 높다는 단점이 있습니다

직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)

• 고분자 전해질막 연료전지와 유사한 원리이며, 다만 메탄올을 직접 연료로 한다는 특징이 있습니다. 
• 전해질막(고분자)을 기준으로 음극과 양극이 있으며, 음극에서는 메탄올과 물이 반응하여 수소 이온과 전자를 생성합니다. 이 수소이온은 양극으로 이동하여 전자와  산소가 결합하여 물이 만들어지는데, 이때 전자가 회로로 이동하면서 전류를 만들어 냅니다.
• 작동 온도가 고분자 전해질막 연료전지와 유사하며, 연료전지의 연료를 직접 메탄올을 사용하기 때문에 저장밀도가 높지만, 효율이 낮아 소형 이동형 동력원으로 적용되고 있습니다. 그로 인해 휴대용으로 60V 미만의 전력을 공급하는 연료전지로 구분되고 있습니다. 

 

 

 

알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC)

• 가장 많이 사용하는 1세대 연료전지로써 우주 산업에 사용되고 있습니다. 전해질은 수산화칼륨을 사용하며, 촉매는 니켈 또는 은과 같은 비금속 촉매를 사용합니다.
• 작동 온도가 낮고 비금속 촉매를 사용하기 때문에 생산비용도 저렴합니다. 다만, 순도가 높은 산소가 필요하다는 단점이 있습니다. 

인산염 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)

• 작동 온도(150°C~250°C)로 고온으로 작동되지 않으며, 연료전지 중 기술적으로 가장 안정성이 있기 때문에 소형 발전기 등에 적용되고 있습니다. 
• 연료전지의 반응은 PEMFC와 동일하나, 출력밀도가 낮고 작동 온도가 높아 수소 자동차용 연료전지로 적용하기에는 어려움이 있습니다.

용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)

• 2세대 연료전지로써 작동 온도는 고온이 필요하며, 그로 인해 개질 공정을 추가할 수 있습니다. 따라서 천연가스, 바이오 가스 등의 여러 연료를 적용할 수 있습니다. 
• 다만 연료전지 운전 중에 탄산염의 승화 등으로 인해 수명이 짧아지는 것이 단점입니다.

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

• 고체산화 세라믹(다공성 전해질)을 이용하여, 발전소 등에 적용할 수 있지만 초고온의 작동 온도가 필요합니다.
• 백금과 같은 고비용의 촉매가 필요하지 않으며, 이로 인해 부식과 같은 문제가 전혀 발생하지 않습니다.
• 초고온으로 작동되기 때문에 폐열을 이용한 추가 열 병합 발전도 이용할 수 있습니다. 
• 다만, 고체화된 연료전지 특성을 가지고 있기 때문에 전해질의 손실과 보충에 대한 문제가 없습니다. 다만, 대기의 공기와 접촉되지 않는 것이 중요한 문제이며, 완전 밀봉을 위한 제조기술이 중요합니다.