Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell 고분자 전해질 연료전지 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell

PEMFC  PEMFC  1960년대 Gemini 우주선 사용  1970년대 Apolo 우주선 계획  1980년대 말 무공해 차량 동력원으로 연구  PEMFC의 다른 이름  Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell (SPEFC)  Solid Polymer Fuel Cell (SPFC)  Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEFC)  저온 산성 연료전지

PEMFC의 장점  간단한 디자인 및 제조  적은 부피와 무게  짧은 시동시간  부하 변화에 따른 빠른 응답  다양한 범위의 출력  부식문제가 거의 없음  긴 작동수명 ( > 40,000 h )  저온 운전 ( 20 - 110 oC )  높은 비에너지 밀도 ( 200 - 수천 Wh/kg)  단위 면적 당 높은 출력 밀도 ( 3.5 W/cm2 )  높은 에너지 효율 ( 45 % )

PEMFC의 단점  비싼 촉매 가격  수소에 함유되어 있는 CO에 의한 활성 저하  전해질의 비싼 가격  운전 중 고분자 막 수분 함량 조절의 어려움  높은 발전 비용  낮은 운전 온도로 인한 폐열 활용 불가능

발전원리 Anode : H2(g) 2H+ + 2e- Overall : H2(g) + 1/2O2(g) H2O(l) Cathode : 1/2O2(g) + 2H+ + 2e- H2O(l) Overall : H2(g) + 1/2O2(g) H2O(l)

PEMFC의 주요 구성 요소  고분자 전해질 막  전극(Anode, Cathode)  MEA(Membrane-Electrolyte Assembly) : 전해질 막 + 전극  분리판 : stack 구성을 위한 단위전지의 분리

고분자 전해질 막  수소이온 전도체, 전자 절연체  수소와 산소의 접촉 방지  조건 : 고 수소이온 전도성, 저 전자 전도성 이온이동 > 반응기체 및 물의 이동 기계적, 화학적 안정성  1959년 Grubb에 의해 최초 도입  -SO3H (sulfonic acid)를 포함한 고분자  초기 : 탄화수소계열 고분자 사용 Sulfonated phenolformaldehyde Polystyrene-divinylbenzene sulfonic acid (Gemini 사용)  안전성 문제로 fluorine이 치환된 고분자로 전환 : Polytrifluorostyrene sulfonic acid Nafion (perfluoroinated sulfonic acid 계열)

수분 조절 문제  고분자 전해질 막 내부는 적정 수분유지가 중요 : 과수분 : flooding 현상 반응 속도 저하 저수분 : 수소 이온 전도도 감소, 막 수축  막 내의 수분 : cathode anode로 이동(back diffusion) - cathode : 과잉생산 제거 cathode에 과량의 산화기체 사용, anode water removal, cathode 심집법 - anode : 부족 반응기체 물로 포화 외부가습법 : bubble법, 물 투과성 중공사법, 물입자 분산법 내부가습법 : 다공성 고분자막 법, 직접 가습법, 다공성 분리판 법

사용되는 전해질 막 기타 : Product C (Cholorine Engineer, Japan) Neosepia-F (Tokuyama Soda, Japan) Hoechst(Germany)

전 극  촉매층, 결합체, 지지체로 구성  촉매층 : Pt 입자(2 - 5 nm) 사용 전 극  촉매층, 결합체, 지지체로 구성  촉매층 : Pt 입자(2 - 5 nm) 사용 물질전달 저항 최소 위해 두께가 얇고 균일해야 함 산소 환원 반응이 느리므로 cathode의 촉매량이 더 큼  결합체 : teflon (소수성)  지지체 : carbon paper, carbon cloth 촉매 지지, 기체 확산층, 집전체, 생성된 물의 제거 통로 역할  코팅법 : brushing, pressing, rolling, spraying, screen printing 등

Stack  단위전지를 수십 - 수백 개 적층하여 구성

연 료  PEMFC의 이상적 연료 : 수소  연료로 탄화수소가 쓰이는 경우 : 개질을 통해 수소를 촉매적으로 생산하여 공급 연 료  PEMFC의 이상적 연료 : 수소  연료로 탄화수소가 쓰이는 경우 : 개질을 통해 수소를 촉매적으로 생산하여 공급  개질법 : 부분산화, 증기 개질, 분해  문제점 : 소량의 CO 발생 Pt 피독 성능 저하  해결방안 : CO 산화법(CO2 발생), H2 선택투과막 법, 새로운 촉매의 개발(Pt/Ru 합금), 고온 운전법(고온에 견디는 전해질막 필요)

응 용 분 야  무공해 차량의 동력원  현지 설치형 발전  우주선용 전원 및 물 공급  이동용 전원  군사용 전원

국외 기술 개발 현황

국내 기술 개발 현황  에너지자원기술지원센터 연료전지 개발 기본계획 (1987) : 1단계 : 기초연구 (1988 - 1991) 2단계 : 1kW급 stack 개발 (1992 - 1996) 3단계 : 15kW급 시스템 개발 (1997 - 2001) 4단계 : 25kW급 시스템 개발 (2002 - 2006)  상용화를 위해 연구 개발되어야 할 사항 : - 구성요소 기술 : 촉매, 전극구조, 전해질 개량, MEA - 스택 기술 : 고성능, 대용량 스택, 장기운전, 냉각시스템, 가습 - 개질기 기술 : 개질 조건 최적화, CO 전환, 소형화 - 상용화 : 경박 단소화, 가격 저감화, 주변장치와의 시스템화, 동력원 및 자동차 시스템 엔지니어링, 안정성 확보, 운전 비용의 절감

연료전지 자동차  환경 친화성  연료 효율성  연료 공급 편리성