전지의 정의와 분류 1. 전지의 정의 - 화학반응을 이용하는 화학전지 2. 전지의 분류 - 1차 전지(Primary cell) - 2차 전지(secondary cell) - 연료전지(Fuel cell) 전지의 정의는 화학반응을 이용하는 화학전지이며 여기서 화학전지는 반응물(전지분야에서는 전기를 일으키는데, 반응원천이 되는 반응물을 활성물질(active material)이라 한다.)이 전극에서 산화 환원될 때 생기는 에너지로 화학반응에 수반된 깁스 에너지의 감소분을 직접 전기 에너지로 변환하여 전류로 외부에 내보내는 장치이다. 전지의 분류는 크게 본문과 같이 세가지로 나눌 수 있으며 1차 전지는 일반 리튬전지를 생각하시면 알 수 있듯이 밀패된 용기 안에 양전극, 전해액, 활성물질을 넣어 한번 사용할 수 있게 만든 화학전지이며 2차 전지는 구조는 1차 전지와 비슷하지만 충 방전을 하여 충 방전 능력에 따라 여러 번 사용할 수 있는 전지를 일컫는다. 연료전지가 1차와 2차 전지와 비슷한 구조를 가지지만 따로 떨어져있는 이유는 연료전지는 전해질과 전극 있으나 활성물질은 외부에서 공급하는 형식이어서 따로 분류가 된다.

전지의 구성 전극은 전위가 높은 전극인 플러스 극과 전위가 낮은 전극인 마이너스극 이렇게 두개의 전극으로 구성 되 어 있으며 셀에서는 하전된 입자가 전하를 옮기고 전극에서는 전자가 전하를 운반하며, 이것을 전자전도체라고 한다. 또 전해액에서는 양의 전하를 가진 양이온과 음의 전하를 가진 음이온이 전하를 운반한다. 이와 같이 전기를 옮기는 이온물질을 이온전도체라고 한다. 전해 셀은 외부에서 전기에너지를 가하여 화학변화로 전기분해를 일으키는 것이고 화학변화의 깁스에너지를 전기에너지로 바꾸는 것이 갈바닉 전지이다. 전지는 크게 볼타 전지와 다니엘 전지로 나눌 수 있는데 아연판과 구리를 이용 묽은 황산을 전해질로 사용하는 볼타 전지와 염다리를 이용한 다니엘 전지가 있습니다. 다니엘 전지는 보통 과일전지라고도 불리 워 지며 볼타전지는 분극 작용이 다니엘 전지는 전극 무게 변화가 생기는 것이 특징입니다.

연료전지란? 연료전지는 연료의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류전류를 생산하는 전지(Cell)로 정의되며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산한다.

연료전지의 역사와 미래 • 1839 : W.R. Grove(영), 개념발명 • 1952 : F.T. Bacon(미), 특허 • 1960년대: 제미니계획, 아폴로계획에AFC 적용 • 1970년대: PAFC 개발 • 1980년대: PEMFC 개발 • 1990년대: DMFC 개발, MCFC 발전시작, SOFC 발전소 개발 • 2003년~ : 연료전지hybrid자동차시판(?) • 2004년~ : DMFC 채용PDA, 노트북컴퓨터시판(?) • 2009년~ : 연료전지자동차양산체제(?)

연료전지의 장점 열역학적 효율의 지배를 받지 않으므로 역학적 에너지나 연료의 연소에 의한 열에너지를 이용한 발전기에 비해 매우 높은 에너지 효율을 갖는다. <~70%> 환경 오염이 적다. 화석연료 의존성이 작다. 다양한 용량과 사이즈로 제작이 가능하여 응용 범위가 넓다. <휴대전화에서 대형발전소까지> 이동이 자유롭다.(설치장소의 제한이 없다)

연료전지 실용화의 문제점 큰 설치 비용등 경제성 문제 Li ion 전지 등 2차 전지와의 경쟁 이론적으로150여년, 우주 계획에 사용 된지 40여년이 지났는데도 여전히 실용화되지 못한 기술적 어려움. 운송수단에 응용되기 위해 선 수소공급 인프라 구축이 필요하다.

연료전지 실용화 전망 환경문제의 대두로 청정 에너지원으로 주목됨 화석 연료 고갈에 대비한 대체 에너지 mobile 기기의 보급에 따른 이동 전원 시 장의 팽창

연료전지의 종류 고온형 연료전지 용융 탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 저온형 연료전지 알칼리 전해질형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) 고분자 전해질막형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)

Alkaline fuel cell 수산화칼륨(KOH)을 전해액으로 하는 알카리성 전해액 연료전지는1960년대부터 미국에서 우주 개발용과 해양개발용 및 운수용으로 개발되어 왔고, 아폴로 우주선에 탑재되어 전력생산 및 음용수제조용으로 그 실용성이 입증되었다. NASA에서 발사한 아폴로 우주선은 AFC를 사용하였고, AFC는 우주선에 전기와 승무원들의 마실 물을 제공하였다

Over all reaction : 2H2 + O2 → 2H2O KOH 는 K+ 와 OH-로 분리 되며 OH-는 이온 전달 되어 반응을 일으킨다. Anode: 2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e- Cathode: 4e- + O2 + 2H2O → 4OH- Over all reaction : 2H2 + O2 → 2H2O

AFC의문제점 AFC의장점 AFC의전망 전해질인KOH가CO2와 쉽게반응을 해서 cell의 성능과 수명을 단축 시킨다 (탄산이온발생, 침전). 순수한 수소와 순수한 산소를 사용해야 한다. 환원극으로 공기를 사용하는데, 공기에 포함되어 있는 CO2(0.03%) 제거를 위한 scrubber를 개발하는 기술이 필요하다. 상업적으로 적용하기에는 단가가 비싸다. (현재$1500 / kilowatt -> 상용화$100/ kilowatt) AFC의장점 acidic전해질보다 alkaline 전해질에서 양극반응이 빨라서 전지의 성능이 좋다. 고효율(50-70%)이기 때문에 자동차 산업의 전원 공급용으로 적당하다. Non noble electrocatalyst의 사용이 가능하다. AFC의전망 수소 저장과 대규모 상업화를 시작하기 전에 유통망(distribution)의 개량 우주선의 작은 전원으로 가능 자동차 전원으로 사용 가능

PAFC (Phosphoric acid fuel cell) 주로 대형발전과 RPG(residential power generator) 용도로 개발. 전해질로 인산(phosphoric acid)를 사용. (SiC에 함침 시킴) 전극촉매로 백금이 필요. → 질량대비 촉매 표면적을 극대화하기위해 다공성 활성탄소 지지체 사용) 운송 용도로는 버스에 적용된바 있음. 작동온도: ~200 ℃ 연료: 수소, LNG, LPG Anode : Pt/C Cathode : Pt/C or PtCr/C, PtFe/C 등 합금촉매

Overall reaction : 2H2 + O2 → 2H2O H3PO4 → 3H+ + PO43- 전해질 분리 Anode : 2H2 → 4H+ + 4e- Cathode : 4H+ + 4e- + O2 → 2H2O Overall reaction : 2H2 + O2 → 2H2O

PAFC의장점 PAFC의단점 PAFC 연구초점 • 다양한 연료 사용가능 • 액체 전해질 사용 • 소형화가 어렵다 • 저온형 연료전지에서 가장 높은 작동온도 PAFC 연구초점 • 산소 환원 백금 기반 합금 촉매 개발

MCFC (Molten carbonate fuel cell) MCFC는 혼합 용융탄산염(Molten carbonate salt mixture)을 전해질로 사용하며 전해질의 구성은 여러 가지가 있지만 보통 리튬(Lithium)탄산염과 칼륨(Potassium) 탄산염에서 리튬 나트륨(Li/Na)으로 구성. 약 650℃의 작동온도에서 전해질은 액체상태이며 좋은 이온 전도체.  MCFC는 같은 전류밀도에서 PAFC보다 작동 전압이 높음. 작동 전압이 높다는 것은 같은 전극 면적에서 PAFC보다 연료 효율이 높다는 것을 의미하며 PAFC와 같은 용량의 연료전지를 만들 때 MCFC는 크기도 작고  가격도 PAFC보다 적게 듦. 전극은 상대적으로 값이 싼 니켈류가 이용되어 사용할 수 있는 연료의 폭이 PAFC보다 넓음. 고온의 작동온도는 천연가스같은 탄화수소연료를 외부에서 개질할  필요 없이 직접 이용 가능.

연료전지로 직접 공급된 천연가스는 연료전지 내에서 수소를 발생시키도록 개질. 내부개질(Internal reforming) 방식을 DFC(Direct Fuel Cell)라고도 하는데 이러한 DFC는 외 부 개질기가 따로 필요치 않아 시스템이 간단해지고 효율이 높은 이점. MCFC부터는 고온에서 작동하므로 소재에 관련된 문제가 많이 발생. MCFC의 경우는 고온액상의 용융염에 의한 소재의 퇴화 현상이 커다란 문제점으로 대두 - separator 고온 부식. - cathode 전극 용해 현상 - anode 전극의 고온 creep 및 소결현상

SOFC( Solid Oxide Fuel Cell) 45%이고 기술 발전 후 70%까지도 기대된다. PEMFC나 PAFC 가 수소만을 연료로 사용하는 것에 비해 SOFC는 일산화탄소, 알코올, 탄화수소류 등을 연료로 사용할 수 있다. 탄화수소를 직접 사용하는 것은 그것을 수소로 만드는 과정이 생략되므로 에너지효율이 증대된다. SOFC는 높은 온도에서 작동하기 때문에 전극물질로 백금 같은 귀금속을 사용할 필요가 없다. 게다가 구성요소들이 모두 고체이므로 전해질의 높은 안정성과 유동적인 셀 디자인과 스택을 길게 할 수 있다.

Solid Oxide연료전지는 최근에 국내에서는 활발하게 연구가 진행중인 연료전지로 PAFC나 MCFC에 비해 연구가 상대적 적음. 그러나 미국 Westinghouse 회사에서는 MCFC 연료전지 보다 빨리 개발 하여 사용화함. SOFC는 MCFC와 다르게 액체 전해질이 아니라 고체 산화물인 지르코니아 세라믹을 이용하고 있으므로 부식에 관한 문제와 액체 전해질에서 야기되는 취급문제가 감소. 세라믹내에서 적절한 이온 전도성을 얻기 위해 시스템은 약1000℃정도의 고온에서 작동해야  하는데 이러한 고온에서 내부개질(Internal reforming)이 가능하며 폐기되는 지는 열은 일반적인 열병합 발전에 쉽게 이용할 수 있어 높은 연료 효율을 얻을 수 있음.

SOFC

SOFC의 특징 산업용 발전설비 분야의 적용에서는 이러한 요구조건 만족되나 차량용이나 휴대용 발전기에 적용에는 적합하지 않음. 고온의 작동온도는 시동하는데 많은 시간(Start-up time)을 요구하며 열을 저장하는데 상당한 기밀성이 요구. 현재 개발중인 고체산화물 연료전지는 원통형, 평판형 그리고 일체형의 3종류 이나 일체형의 경우 제조공정이 매우 어렵기 때문에 주로 원통형은 미국 기존 개발 완료, 독일 일본 미국의 경우 평판형 연료전지가 개발 진행 중. 원통형은 구조적으로 전력밀도가 낮으나 평판형에 비해 제조가 용이해 현재 기술 개발이 가장 앞서 있는 상태. 평판형 구조는 제조가 쉽지 않은 반면에 전력 밀도가 높기 때문에 많은 연구가 진행중. SOFC의 경우 고온에서 작동되므로 재료간의 반응 문제 및 신소재 개발 등이 주요 과제.

-American electric company, Westinghouse Electronic Corporation -easy-sealing, mechanical strength due to its structure -current flow causes a large ohmic loss Transverse stripe type tubular cell 한 튜브에 연속적으로 단위 전지들이 배열되어 있어서 각각의 튜브는 작은 스택으로 불리 운다.

(Proton Exchange Membrane Fuel Cell ) PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell ) PEM형의 연료전지는 고분자 전해질(Polymer Electrolyte)을 사용하므로 Polymer Electrolyte Membrane방식. PEM형은 작동온도(Operating temperature)가 약 80˚C로 네가지 타입의 연료전지 중 가장 낮고  Power density가 높음. Power 요구 정도에 따라 출력을 기민하게 변경할 수 있어 신속한 시동이 요구되는 자동차의 동력 공급원으로 사용하기에 가장 적합. 현재 개발되어 있는 소형 연료전지 자동차는 모두 PEM형 연료전지를 탑재하고 있으며  개발중인 소형 자동차용 연료전지도 PEM형을 채택. PEMFC는 전해질로 고분자막(Polymer membrane)을 이용, 이 막은 전기적으로 절연체이지만 수소이온에 대해서는 좋은 전도체로 수소이온을 잘 통과시키는 성질. 공급된 수소에서 분리된 전자와 수소이온 중 수소이온만 통과시켜 전력을 얻음. 고체 전해질을 이용하므로 다루기 쉽고 안전한 이점.

PEM전지의 특징 PEMFC의 구성은 두 전극 사이에 전해질이 샌드위치처럼 들어가 있는 형태를 하고 있으며 두 전극과 전해질의 세가지 성분이 열과 압력에 의해 압착되어 하나의 membrane/electrode assembly(MEA)를 만듦. 두 전극의 한쪽면은 얇은 백금(Platinum)이 입혀져 있어 촉매층을 형성하고 있음. 백금 촉매층의 사용이  다른 연료전지 타입에 비해 비용 측면에서 불리하게 작용하므로 작은 양의 백금을 사용하면서도 효율을 높이는 방법에 대해서도 연구 진행 중.  PEMFC는 연료로서 순수한 수소연료나 개질(Reforming)한 탄화수소연료를 이용 가능. 순수한 수소를 연료로 이용할 경우에는 부산물로 열과 물을 배출하므로 유해한 배출물이 전혀 없는 반면 개질한 탄화수소 연료를 사용할 경우 열과 물 외에 이산화탄소(CO2)를 배출. 탄화수소 연료를 사용하기 위해서는 연료전지 외부에 개질 장치가 별도로 필요.

PEM전지의 현황 및 문제점 고온에서 작동하는 MCFC나 SOFC가 부산물로 발생한 높은 온도의 열을 이용하여 내부에서 연료를 개질할 수 있는데 반해 효율을 떨어뜨리는 요인. PEM형의 자동차용 연료전지 분야에서 최고의 기술을 보유하고 있는 회사는 캐나다의 Ballard Power System사로 많은 자동차 회사들과 기술제휴  최근 디자인과 성능향상으로 인해 다른 연료전지비해 생산가격이 하락.  PEM형 연료전지는 자동차 이외에도 상업용, 산업용의 소형 발전분야에 이용할 수 있으며 비디오 카메라나 노트북등에 전원을 공급하는 휴대용 전지(Portable power), 상업용 선박이나 잠수함 등 해양선박에 이용하기 위한 연구도 진행 중.

DMFC Cell, stack 구조는 PEMFC와 같으나 연료로서 메탄올 수용액을 사용 한다는 점이 다름. 주로 2차전지를 대체할, 소형 전자기기용으로 개발되고 있음. : Recharge? →Refuel ! 자동차용으로 잠재력이 있음. 작동온도: 상온~90 oC Anode : PtRu/C Cathode : Pt/C or PtCr/C, PtFe/C 등 합금촉매 Anode reaction: CH3OH + H2O → CO2+ 6H++ 6e- Cathode reaction: 3/2O2+ 6H++ 6e- → 3H2O Overall reaction: CH3OH + 3/2O2 → CO2+ 2H2O E0= 1.214 V vs. RHE

DMFC의 장단점 DMFC의 장점 •액체 연료사용으로 연료저장이 쉽고 소형화가 가능하다. •개질기가 필요 없음. •연료공급 인프라 구축이 쉽다. •작동 온도가 낮아 상온에서도 사용 가능하다. DMFC의 단점 •PEMFC에 비해 낮은 성능 •많은 양의 촉매를 필요로함 원가상승 •CO poisoning의 영향을 크게 받음. •가장 최근에 개발되기 시작한 형태의 연료전지임.