자동차상식 + 자동자학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 102강. 연료전지의 종류 및 특징

102강.  연료전지의 종류 및 특징

연료전지자동차는 연료전지 종류, 사용하는 연료, 연료 개질방법, 연료 저장방법, 보
조 동력원의 종류 등에 따라 여러 가지 형태로 개발되고 있다. 연료전지로는 고분자전
해질 연료전지(PEMFC), 인산 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC), 직접메탄올 연
료전지(DMFC) 등이 있지만 고분자전해질 연료전지가 출력밀도, 상온작동성, 내충격
성, 수명 등이 다른 연료전지에 비해 우수하기 때문에 현재 가장 많은 주목을 받고 있
다. 즉, 고분자전해질 연료전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간
이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다. 특히 전해질로 고분자
막을 사용하므로 부식 및 전해질 조절이 필요 없고, 기존의 확립된 기술인 메탄올 개질
기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 연료전지 본체재료로 여러 가지를 사용할 수 있는 동시에, 부피와 무게
도 작동원리가 같은 인산 연료전지에 비해 작다. 이러한 특성이외에도 다양한 범위의
출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 고분자전해질 연료전지는 무공해자동차의 동력
원 이외에도 현지 설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양
한 분야에 응용될 수 있다. 다음 표는 연료전지자동차에 적용된 실적이 있는 연료전지
의 특성을 나타낸 것이다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서 분류된다. 알카리형(AFC : alkarine
fuel cell)은 구성 재료가 비교적 싸나, CO2에 의해 전해질의 열화가 일어나므로, 개질가
스나 공기중에 존재하는 CO2에 기인한 단기간에 걸친 전해액의 정기교환이 필수적이다.
인산형(PAFC : phosphoric acid fuel cell)은 약 200℃라는 비교적 높은 온도에서 운
전되며, 개질가스중의 CO에 의한 전극촉매 피독의 영향이 완화되나, 반복되는 기동·
정지나 경부하 운전에 문제가 있다.
고체산화물형(SOFC : solid oxide fuel cell)은 약 1,000℃의 고온운전이기 때문에
황분을 함유하는 가솔린도 직접 연료로 사용할 수 있으나, 기동 및 부하변동에 따른 열
충격에 과제가 많다. 건전지에 망간 전지, 알칼리 전지, 리튬 전지 등 화학 반응을 일으
키는 물질에 따라 몇 가지 종류가 있는 것처럼, 연료전지에도 원리는 모두 물의 전기분
해의 역반응이지만 전해질에 따라 몇 가지의 종류로 분류할 수 있다. <표 9-1>은 연료
전지의 종류와 그 특징을 나타낸 것이다.

가. 알칼리형 연료전지

알칼리형 연료전지(alkaline fuel cell)는 일반 민생용은 아니지만, 순수소, 순산소를
연료로 발전하는 우주선의 전원용으로서 스페이스 셔틀에 탑재되어 실용화되어 있다.

나. 인산형 연료전지

인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell)는 가장 먼저 개발이 진행되어 현재 상용
화 단계에 있다. 전기출력이 50∼200kW 정도의 소형은 빌딩 등에 설치되어 도시가스의
배관을 연결하는 것만으로 운전할 수 있는 형태로, 가까운 일본에서도 약 50 개소 이상
의 건물에 실제 설치 운전되고 있으며, 발생한 전기는 건물 내의 조명 등에, 또한 발생한
열은 급탕 등에 이용되고 있다. 금후 상품으로서 폭넓게 보급될 것으로 기대되고 있다.

다. 고체 고분자형 연료전지

고체 고분자형 연료전지(polymer electrolyte fuel cell) 는 최근 자동차용으로 연구
개발이 진행되고 있어 청정 자동차의 실현으로의 기대가 높다.

 

라. 용융 탄산염형 연료전지

용융 탄산염 형 연료전지(molten carbonate fuel cell)는 고체전해질형 연료전지
(Solid Oxide Fuel Cell)는 인산형이나 고체 고분자형보다도 높은 발전효율을 기대할 수
있으므로 매우 왕성한 연구개발이 진행되고 있지만, 현 상태는 아직 실증 시험단계이다.

 

<

연료전지의 종류와 특징>

구 분	인산형 (PAFC)	용융탄산염형 (MCFC)	고체전해질형 (SOFC)	고체고분자형 (PEFC)	알칼리형 (AFC)
작동기체	수소	수소, 일산화탄소	수소, 일산화탄소	수소	수소
전해질	인산	탄산리튬/ 탄산칼륨	안전화 질코니아	양이온교환막	수산화칼륨
이온전도종	수소이온	탄산이온	산소이온	수소이온	수소이온
운전온도(℃)	약 200	약 650	약 1,000	상온~약 100	상온~약 100
발전효율(%)	40~50	45~60	50~60	40~60	45~60
개발단계	상용화단계	시험연구~ 실증단계	시험연구~ 실증단계	시험연구~ 실증단계	우주선에 실용화

 

마. 연료전지의 특징

환경 친화적 특성을 가지면서 소 용량에서도 발전 효율이 높고 배열의 유효이용에
의해 총합 에너지 효율의 향상이 도모되는 연료전지는 새로운 에너지의 하나로서 위치
할 수 있으므로 폭넓은 보급화가 매우 바람직하다. 연료전지의 우수한 특징은 다음과 같다.

(1) 높은 발전 효율

연료전지는 그림과 같이 전기화학 반응에 의해 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전
기에너지로 변환하기 때문에 종래 발전에 비해 발생하는 손실이 적어 높은 발전효율을
얻을 수 있다.

 

(2) 에너지 절약

반응의 과정으로 발생하는 열을 유효하게 이용하는 것이 가능하므로, 전기와 열을 동
시에 발생하는 코제너레이션 시스템에 적합하다. 투입한 연료의 약 40 %가 전기로, 약
40 %가 온수나 증기가 되므로, 약 80 %가 유효하게 이용할 수 있어 에너지 절약에 우
수한 장치이다.

(3) 환경 친화성

발전의 원리는 물의 전기분해 역반응이기 때문에 기본적으로 생성되는 물질은 물이
므로, 대기오염의 원인이 되는 질소산화물(NOx)을 거의 발생하지 않는다. 또한 총합효
율이 높기 때문에 이산화탄소(CO2)의 발생도 적게된다.

(4) 설치성

기본적으로는 전기화학반응으로 발전하기 때문에 엔진이나 터빈과 같이 소음·진동
을 발생하지 않는다. 공기를 취입하는 팬 등 부속기기에서 발생하는 음 정도이므로 다
른 발전장치와 비교해서 매우 저소음·저진동이다.

바. 연료전지자동차 연료

연료전지자동차에 사용되는 연료로는 수소 이외에도 개질에 의해 수소로 전환될 수
있는 메탄올, 휘발유 등이 있다. 수소는 기체수소, 액체수소가 가능하지만 저장방법, 인
프라 구축이 문제가 되며 메탄올의 경우 200℃의 가열이 필요한 개질기 및 메탄올 인
프라의 구축이 요구된다. 휘발유의 경우 1000℃ 정도에서 작동하는 개질기가 필요하나 기존의 휘발유 인프라를 그대로 이용할 수 있는 이점이 있다. 이러한 개질 방법에는 수
증기개질, 부분산화개질, 그리고 이를 복합한 자열개질 (autothermal reforming)이 있
다. 자동차에 사용되는 연료전지 스택에서의 수소 소모량은 출력변화에 따라 변화되기
때문에 연료전지자동차용 개질기는 출발 및 순간 응답특성이 좋아야 하고 넓은 전환속
도 범위에서 효율적으로 운전되며 완벽한 전환율을 얻을 수 있어야 한다. 또한 연료극
촉매의 피독을 방지하기 위해 연료전지 스택으로 유입되는 반응기체 속의 일산화탄소
농도는 10ppm 이하로 유지되어야 하며, 환경문제를 야기시키지 않도록 배기가스는 공
해물질이 거의 완전히 제거된 상태로 공기중에 배출되어야 한다.
고분자전해질 연료전지 대신 직접메탄올 연료전지를 사용하는 경우에는 메탄올을
연료전지에 직접 공급하게 되어 개질기가 필요 없으나 메탄올 산화반응시 생성되는 일
산화탄소 중간체에 의한 전극촉매의 피독현상, 메탄올의 전해질 막 투과현상 때문에 전
지성능이 저하되는 문제가 있다. 연료저장 방법에 있어서는 기체수소의 경우 기체실린
더나 수소저장합금에 의해 저장하며 액체수소의 경우 극저온 냉각실린더에서 저장한다.
메탄올이나 휘발유의 경우에는 기존의 연료탱크를 사용한다. 다음 표는 연료의 저장, 공
급방법에 대한 특징을 요약한 것이다.

< 연료공급방법>

연료공급의 응답성	◎	◎	△
배출물	◎	◎	×
연료적재량의 중량밀도	△	×	◎
연료적재량의 부피밀도	×	○	◎
연료보충의 용이성	×	△	◎
연료저장의 안정성	×	△	◎
가격	◎	○	△
적용건수	12	3	8