How Fuel Cell Works?

l 에너지문제와 온난화를 해결하기 위한 유일한 솔루션

우리는 미래의 에너지 문제와 공해문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 대안으로 '연료전지'를 제안합니다. 연료전지의 기본원리는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것을 역이용하여 수소와 산소에서 전기에너지를 얻는 것 입니다. 연료전지는 중간에 발전기와 같은 장치를 사용하지 않고, 수소와 산소의 반응에 의해 전기를 직접 생산하기 때문에 발전효율이 매우 높은것이 특징입니다. 연료전지에 의한 발전의 매커니즘은 '물이 전기분해' 되는 역방향으로 진행됩니다. 즉, 물의 전기분해에서는 물에 전기를 흐르게 하면 수소와 산소가 발생하지만, 연료전지에서는 수소와 산소를 반응시켜 전기를 발생시키는 것 입니다. 이 반응으로 배출되는 것은 오로지 '물' 뿐입니다. 

연료전지의 원리

 호라이즌퓨얼셀코리아의 자료를 인용하였습니다.

연료전지는 발전장치의 규모가 매우 컴팩트하기 때문에 소규모로 여러곳에서 분산발전 또한 가능합니다. 20MW 규모의 발전소를 건설하는데 필요한 토지는 불과 1,000평 밖에 필요치 않습니다. 태양광과 비교한다면 1/20 크기보다도 적은 공간을 차지하는 것이죠. 이것은 송전비용을 줄여주는 장점을 제공합니다. 뿐만아니라, 사용 원료가 고갈될 염려도 없다는 것이 연료전지의 큰 장점 중 하나입니다.

우주에서 가장 많은 물질은 '수소'입니다.

온 우주에서 가장 많은 물질로 이루어진 것은 바로 수소입니다. 수소는 가장 가벼운 원소로써 모든 탄화수소계열의 연료에 들어 있으며 우리는 물로부터 수소를 얻어낼 수 있습니다. 수소는 운반과 저장이 용이하며, 배터리와 같이 에너지의 자연방전률이 없습니다. 이 때문에 차세대 연료로써 수소에 집중하는 연구분야가 늘어나고 있으며, 수소의 생산, 저장 및 운반에 대한 기술이 날로 발전하고 있는 것입니다. 연료전지가 전기를 생산한 후 발생하는 물질은 오직 '물'뿐이므로 공해가 전혀 없다는 장점이 있습니다. 연료전지의 음극은 대기로부터 산소분자를 반응하는 반면 양극은 수소분자를 이온상태로 분리하여 전자를 방출합니다. 수소이온은 멤브레인을 통해 산소이온과 반응하여 물을 형성하는 구조입니다.

PEMFC는 수송용, 발전용, 이동형발전기 등에 사용됩니다.

엠필드가 사용하는 PEMFC의 구조는 아래와 같습니다. PEMFC는 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell 또는 Proton Exchange Membrane Fuel Cell)의 의미를 가지고 있으며, 수소이온 H를 전도할 수 있는 Nafion이라는 고분자 전해질막을 사용하고 있습니다. (Nafion이란 1960년대에 듀폰사에서 개발한 황산화 4불화에틸렌) 나피온은 비닐처럼 보이나 내부에는 많은 미세기공을 가지고 있어 수소이온과 양이온을 전도할 수 있는 특징이 있습니다.

l 싱글셀의 구조와 원리 1

PEMFC는 나피온의 막을 유지하기 위해 운전온도를 100℃ 미만이 요구되며, 전극은 촉매의 활성이 중요하여 백금(Platinum)이 사용됩니다. 여기에서 백금의 가격이 희토류로써 매우 비싸기 때문에 학계와 업계에서는 백금촉매 사용량을 줄이는 기술과 연구를 지속하고 있습니다. PEMFC는 작동온도가 낮고 시동과 부하 반응시간이 빠르게 반응해 자동차나 휴대용 전원으로 많은 개발이 이루어지고 있으며, 기술개발의 트렌드는 1kW급 이상의 파워에서 100kW 급까지 다양한 파워라인업으로 구축되고 있습니다. 엠필드와 호라이즌은 100kW급 스택을 이용한 MW 파워플랜트 솔루션을 제공하고 있습니다. 스택은 각각의 싱글셀로 구성이 되어 커런트컬렉터를 통하여 전류를 집진하는데, 그 구조는 아래와 같습니다.

l 싱글셀의 구조와 원리 2