자동차상식 + 자동자학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 103강. 연료전지 자동차의 구조

103강. 연료전지 자동차의 구조

 

자동차용으로 사용하는 고체고분자형 연료전지(PEFC)는 사용연료, 연료의 저장수
단, 개질방식으로 분류되는 외에, 동력시스템으로서 보조전원과의 조합에 의해 다양한
형태가 시도되고 있다.
연료전지 자동차의 주요 구성품을 시스템별로 크게 분류하면 연료전지 시스템, 보조
전원시스템, 전기변환 시스템, 수소저장 시스템으로 나눌 수 있다.

연료전지 자동차의 주요 시스템 분류

가. 연료전지자동차 기본 구성

연료전지자동차는 연료전지 스택, 연료전지 주변장치 (공기압축기, 열교환기 등), 연
료공급 장치, 보조동력원, 그리고 모터 및 모터 제어기로 구성되어 있다.
연료전지 자동차의 구성품을 좀 더 기능별로 세분하여 보면 스택, 운전장치, 모터 및
감속기, 전력변환기, 수소탱크, 배터리 및 제어기 등으로 구성되어 있음을 알 수 있다.

구 분		기 능
1	스택	전력발생 (화학 E → 전기E)
2	운전 장치	수소/공기 공급, 열 및 물관리
3	모터/감속기	동력 전달 (전기E → 기계E)
4	전력변환기	전력의 변환 및 차단
5	수소 탱크	수소연료 저장
6	배터리	보조전원 공급
7	제어기	연료전지 및 차량 제어

(1) 연료전지 시스템

(가) 스택

스택은 전력 발생 기능을 담당하는 장치이다. 필요한 전기 출력을 얻기 위해서는 직렬로 연결하게 하여 셀을 적층하고, 상하 셀 사이에는 수소와 산소의 통로를 막으
면서 적층된 셀을 전기적으로 연결하는 역할을 하는 세퍼레이터가 들어간다. 이 셀을
적층한 것을 연료전지 발전장치 중에서는 연료전지 본체인 셀 스택이다.

(나) 전극

고체 고분자막 형 연료전지에서 사용되고 있는 전극은 고분자 전해질 막과 일체화
접합된 것으로, “투과막/전극접합체(MEA : membrane/electrode membrane)”라 부
른다. 이것은 백금계 촉매를 입힌 카본 분말을 투과막소재에 분산시킨 박막이다. 이
박막을 투과막의 앞뒤에 발라 투과막/전극접합체로 만든다. 투과막/전극접합체의 두
께는 0.2mm 정도로 전극의 두께는 약 10 미크론, 전극속에 포함되는 백금계촉매는
0.1~0.5g/cm2 정도이다. 보통은투과막/전극접합체 양쪽에 100~300 미크론 정도의
다공질탄소막을 접합시켜 연료극(수소극, 아노드극), 공기극(산소극, 캐소드극)으로
의 기체의 확산을 최적화시키며, 촉매 층과의 접촉을 용이하게 한다. 이 다공질탄소
막이 연료 극에서는 수소이온의 이동에 필요한 수분의 공급율, 공기극에서는 생성된
물의 제거를 제어하는 역할도 한다.

(다) 연료전지 촉매의 기술현황

현재의 고분자전해질 연료전지에서는 사용되는 촉매는 귀금속인 백금(Pt)이기 때
문에 대단히 고가이고 비용면에서의 요구량으로 그 사용량을 줄이는 연구가 필요하
다고 한다.
Pt촉매의 사용량은 Pt의 효율적인 이용을 목적으로 Pt입자의 미립자화에 의한 표
면적의 확대방향으로 발전하고 있고, 현재의 입경은 2~3㎚ 정도인 것으로 알려져 있
다. 또한 촉매층의 두께는 엷을 수록 좋다고 하여 현재의 촉매층의 두께는 50㎛까지
와 있다.
현재의 고분자전해질 연료전지 용 전극촉매에서는 Pt사용량은 0.1~0.5㎎/㎤정도
로 표준적으로는 0.3㎎/㎤에서도 가능하다는 메이커도 있어, Pt 이용률 향상을 위한
연구는 활발히 진행되고 있다.

(라) 연료전지 촉매의 새로운 기술

각 메이커가 추진하고 있는 미립자가공기술의 기술적 내용은 완전하게 기밀취급이
되어 있어 기술적 내용은 밝혀져 있지 않으나, Pt사용량은 현재 기술수준의 1/10 정
도 이하까지 저감이 가능한 단계에 있다.
전극촉매에서는 그 촉매의 표면에서 반응이 일어나기 때문에 촉매의 표면적을 확
대할 수 있으면 촉매의 사용량은 저감하는 것은 가능하다.
전극촉매는 고분자전해질용액에 분산시켜 도포하나, 일부의 Pt는 고분자전해질 속
에 스며들어 반응에 기여하지 않는 현상이 일어난다. 이러한 현상을 회피하기 위하
여 얼마나 많은 Pt를 석출시킬 것인가 하는 점에 촉매의 제조법 연구가 신기술이 되
어 있다. 또한 성능향상에서 연료극(Anode)에서의 촉매 피독 문제해결에도 연구를
하고 있어, Ru, Fe, Co, Ni, Mo 등의 합금이 검토되고 있다. Ru를 사용한 경우에도
일산화탄소(CO)의 함유량이 100ppm 이하가 아니면 곤란하나, 앞으로는 1,000ppm
정도의 일산화탄소에도 열화되지 않는 촉매개발을 목표로 하고 있다. 단, 자동차용
의 경우 순수수소를 사용하는 경우 연료인 수소의 순도문제와 관련하여 연구개발이
진행 중이다.

(마) 전극 개발의 요점

① 저 비용화
② 내구성(내피독성)
③ 장 수명화
④ 고 효율화
비용절감에서는 현행의 1/10 정도를 목표로 할 필요가 있으며, Pt의사용량을 어떻
게 삭감할 것인가가 과제이다. 앞에서도 기술한 바와 같이 금후는 사용량 삭감을 위
한 제조법의 개발과 촉매로 이용되는 재료의 개발(합금재료의 최적 조합 등)에 주력
할 것으로 보인다.

연료전지 셀 구조

. 연료전지 셀 외관

합금화는 내구성 극복과 발전전압 향상에도 효과적이라 하여 향후의 중요한 과제
이기 때문에 신규 참여 메이커만이 아니라 각 연구기관과 대학에서의 연구 성과를 적
극적으로 도입해 갈 필요가 있다.

연료전지 스택 구조