Fuel Cells Instructor: Prof. Yong-Tae Kim Based on WIKIPEDIA.

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1 Fuel Cells Instructor: Prof. Yong-Tae Kim Based on WIKIPEDIA

2 4.1 연료전지, 현실적인 선택인가? 연료 전지의 기본 원리는 수소와 산소 사이의 화학 반응에 의해 에너지가 방출 되는 것 Zero - emission (유해 가스 배출이 없다) 연료전지의 기본 적인 화학 반응은 2 H O H 2 O 따라서 발생하는 것은 물과 에너지 이다. 연료 전지 자동차는 내연기관 자동차에 필적하는 주행거리와 성능을 가진 조용하고 친환경적 차량에 대한 유일하고 실질적인 후보 친환경적 자동차를구동할 충분한 에너지 저장 용이 긴 주행거리 소음 발생 감소

3 4.1 연료전지, 현실적인 선택인가? 자동차 전원으로서 상용화 되기 위해 극복해야 할 문제 단가 :
Scientific American 잡지의 2002년 10월호 표지. 기사는 연료전지에 의해 전력이 공급되는 전기자동차의 가능성을 다루고 있다. 자동차 전원으로서 상용화 되기 위해 극복해야 할 문제 단가 : 연료전지 > 하이브리드형내연기관/전기시스템 >내연기관 경쟁 기술 : 수소를 사용하는 내연기관 실제 생산된 바 있고 유일한 오염물질은 소량의 질소 산화물 이다. 물관리 냉각 : 연료전지의 열관리는 내연기관의 경우보다 더욱 어렵다 5. 수소 공급 : 수소를 저장하고 수송하기 어려움 . 또한 ‘수소를 어떻게 얻을 것인가?’ 하는 문제

4 4.1 연료전지, 현실적인 선택인가? 현재 연료 전지에 존재 하는 많은 문제들은 극복 가능.
연료전지는 환경 파괴를 줄일 수 있는 근본적인 수송 수단이 될 것으로 기대된다. 유럽의 대도시에서 하루 종일 운행 되는 버스와 같은 차량에 대해 그 효용성이 크게 나타나고 있다. 실제 유럽 각지 에서 운행중인 연료 전지 버스

5 산성 전해질 연료 전지의 전극 반응과 전자의 이동
4.2 수소 연료 전지 : 기본 원리 4.2.1.전극반응 수소와 산소의 화학반응 전기 에너지로 방출 Anode : 2H H e- Cathode : O e H H2O 이 두 반응이 유지 되기 위해 서는 anode에서 생성된 전자가 전기회로를 통해 공기극에 도달하고, 또 H+ 이온은 전해질은 통과 해야 한다. 산(acid)은 이동이 자유로운 H+ 이온을 가진 액체 이므로 이목적에 적합하다. Anode 2H H++ 4e- Cathode O2+4e− + 4H+ 2H2O H+ ions through electrolyte Load e.g.electric motor 수소 연료 전자는 외부 회로를 통해 이동한다. 산소, 보통 공기를 공급 산성 전해질 연료 전지의 전극 반응과 전자의 이동

6 4.2.2 전해질의 종류 연료전지의 종류와 데이터 종류 이동 이온 동작온도 응용/ 비고 알칼리(AFC) OH- 50~200℃
아폴로와 스페이스 셔틀 등 우주선용으로 사용 수소이온교환막 (PEMFC) H+ 30~100℃ 자동차용, 모바일기기용, 저출력CHP 시스템 직접메탄올 (DMFC) 20~90℃ 저출력으로 장기간 이용하는 휴대용 전자시스템에 적합 인산(PAFC) ~220℃ 다수의 200kW CHP시스템에 사용 중 고체산화물 (SOFC) O2- 500~1000℃ 2kW~수 MW의 모든 크기의 CHP시스템에 적합

7 4.2.2 전해질의 종류 전해질에 따른 연료전지의 종류와 이동 이온 Cathode Anode e-
Load (Solid polymer) Electrolyte e- Air H2 H2O (b) 수소이온교환막(PEMFC) Cathode Anode Load (Proton ExchangeMembrane) Electrolyte e- Air H2 H2O H+ (c) 직접메탄올(DMFC) Cathode Anode Load Electrolyte (Alkaline) e- Air H2 H2O OH- (a) 알칼리(AFC) H+ Cathode Anode Load (Phosphric Acid) Electrolyte e- Air H2 H2O H+ (d) 인산(PAFC) Cathode Anode Load Electrolyte (Solid oxide) e- Air H2 H2O (e) 고체산화물(SOFC) O2- 전해질에 따른 연료전지의 종류와 이동 이온

8 4.2.2 전해질의 종류 ANODE : H2 2H+ + 2 electrons e e e H H+ O H H2O 0.7 V
PEM Fuel Cell 의 이온 이동과 전류 생성 과정 ANODE : H H+ + 2 electrons CATHODE : O2 + 4 electrons + 4H H2O ANODE VENT CATHODE VENT CATHODE FEED , O2 ANODE FEED , H2 GAS DIFFUSION BACKING e H+ 0.7 V e e H+ H H+ O H H+ O2- H2O

9 4.2.2 전해질의 종류 수소 이온 교환막 연료 전지 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 구조 단순, 전해질은 고분자 (solid polymer)로서 수소이온 통과 가능하다. 자동차용으로 가장 기대 되고 있으나 매우 낮은 온도에서 동작하기 때문에 반응속도가 느리므로 고가의 촉매인 백금 (Platinum)등이 필요하다. 직접 메탄올 연료 전지 (Direct methanol Fuel Cell , DMFC) 액체 메탄올을 직접 연료로 사용. 출력이 작아 장시간 동안 느리면서 지속적인 전력 소리를 필요로 하는 응용분야로 제한된다. 알칼리 연료 전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) 저온에서의 반응속도가 느린 문제를 해결하기 위해 백금 촉매와 고도의 다공질 (porous)전극을 사용, 때때로 고압의 환경에서도 동작 가능하다. PEMFC보다 싼값에 제작 가능 하지만 출력이 낮고 전해질이 공기중의 이산화 탄소와 반응한다. 인산 연료 전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) 최초의 상업적 연료 전지. 200kw 급의 시스템이 미국과 일본에 설치 되어 가동 중. 그러나 220℃에서 동작하므로 냉각되었을 때나 재가동 할 때 화학 반응이 잘 일어 나지 않아 자동차용으로 부적절 하다. 고체 산화물 연료 전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 고온에서 작동하기 때문에 고가의 촉매없이 반응 속도를 높일 수 있다.그러나 셀을 만드는 세라믹 물질은 상당히 다루기 어렵고 제조 비용이 높으며 완전한 시스템을 구성하기 위해서는 또 많은 부가 장비가 필요하다.

10 4.2.3 연료 전지의 전극 C A T H O D E 전 해질 N 부하 산소 수 소 수소가 하나의 전극에 공급되고 , 보통 공기로서 산소가 다른 전극에 공급된다. 부하가 두 전극 사이에 연결되고 전류가 흐른다. 보통 수소와 산소의 반응률은 매우 느리기 때문에 전류가 작아 출력이 작다. 전극에 적절한 촉매를 사용 온도를 높인다. 전극의 표면적 증가. 등의 방법으로 반응 속도를 높일 수 있다. 연료 전지의 기본 적인 Cathode-전해질- Anode의 구조. Anode는 음극 단자 이고 Cathode는 양극 단자 이다 .

11 연료 전지의 촉매를 전자 현미경으로 본 영상. 큰 탄소 입자 상에 지지된 작은 촉매 입자가 검은 점으로 보인다.
4.2.3 연료 전지의 전극 연료 전지의 전극의 면적은 크면 클수록 성능이 향상 성능을 A/cm2 으로 나타낸다 전극은 다공질이고 촉매로 코팅된다. PEMFC에선 촉매로 백금을 주로 사용 반응물 사이의 접촉을 증가 시키기 위해 탄소 지지(carbon –supported) 촉매를 얇게 코팅 전해질의 두께는 0.05~0.1mm 전극의 두께 약 0.03mm 가스 확산층 (GDL)의 두께 0.2~0.5mm 막/전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA) GDL포함 약 1mm두께 연료 전지의 촉매를 전자 현미경으로 본 영상. 큰 탄소 입자 상에 지지된 작은 촉매 입자가 검은 점으로 보인다.

12 micro-structure of GDL
4.2.3 연료 전지의 전극 전해질 가스 확산층 GDL 전극 micro-structure of GDL 탄소 지지 촉매의 이상적인 구조 탄소 입자 위에 매우 작은 촉매 입자가 놓여 있다. micro-structure of GDL PEMFC의 이상적인 구조

13 4.3 연료 전지의 열역학 - 소개 4.3.1.연료 전지의 효율과 효율 한계 연료 전지 연료 전지는 열기관이 아니다.
4.3 연료 전지의 열역학 - 소개 4.3.1.연료 전지의 효율과 효율 한계 연료 전지는 열기관이 아니다. 그러므로 카르노 사이클의 한계(Carnot limit)의 제한을 받지 않기때문에 효율이 훨씬 더 크다. 수소 에너지 = ? 전기 에너지 VIt 산소 에너지 = ? 물 출력 = V x I 에너지 = V x I x t 연료 전지 열 연료 전지의 입력과 출력

14 4.3.1.연료 전지의 효율과 효율 한계 화학적 입력 및 출력에너지는 정의 하기 어렵기 때문에 주로
엔탈피(enthalpy), 헬름홀츠(Helmholtz) 함수, 깁스(Gibbs)의 자유 에너지, 엑서지( exergy)등을 이용한다. 연료 전지 에서 가장 중요한 것은 깁스의 자유 에너지 이다. 이것은 ‘압력이나 부피의 변화에 의해 행해진 일은 무시하고 외부에 대해 일을 한 에너지 ‘ 로 정의 . 연료 전지에서 외부로 한일은 전자를 외부 회로로 이동시키는 것을 의미 한다. G = H TS 엔탈피 H , 깁스 자유 에너지 G , 엔트로피 S 연료 전지에서 방출된 에너지는 반응 전후의 깁스 자유 에너지 변화 이다 ΔG = G 출력 - G입력

15 4.3.1 연료 전지의 효율과 효율 한계 그러나 깁스 자유에너지의 변화량은 일정하지 않고 온도나 반응물의 상태(액체 또는 가스)에 따라 변화 한다. H ½ O H2O 여기서 ΔG 값은 음수로 에너지가 방출 된다는 것을 의미한다. 온도 변화에 따른 반응 H ½ O H2O 의 Δ G

16 4.3.1 연료 전지의 효율과 효율 한계 연료 전지에서 손실이 발생하지 않으면, 또는 반응이 ‘가역적’ 이라면 깁스 자유에너지가 전기 에너지로 변환 발생된 전기 에너지 깁스 자유에너지변화 그러나 위의 정의는 깁스 에너지 변화가 일정하지 않기 때문에 거의 사용되지 않는다. 일반적으로 연료 전지는 연소되면서 에너지를 방출하는 물질을 사용하기 때문에, 연료를 연소 시켰을 때 발생된 열과 발생된 전기에너지를 비교하는 것이 합리 적이다. 이때 발생된 열은 정확히 ‘ 생성 엔탈피 ‘ 의 변화로 발열량이라고도 한다. 그 기호는 Δ H 로 음으로 나타낸다. 1 mol 의 연료에서 생성되는 전기 에너지 - Δ H 여기서 ΔG 값은 음수로 에너지가 방출 된다는 것을 의미한다. 효율 = 연료 전지의 효율 =

17 4.3.1 연료 전지의 효율과 효율 한계 수소를 연소 시키는 경우, H2 + ½ O2 H2O (증기)
Δ H = (kJ/mol) 생성되는 물이 액체인 경우, H ½ O H2O (액체) Δ H = (kJ/mol) 이들 두 Δ H 값의 차이 (44.01 kJ/mol )는 몰 당 물의 증발엔탈피이다. 큰쪽의 값은 ‘고위 발열량(higher heating value, HHV)’ 작은쪽의 값은 ‘저위 발열량 (lower heating value, LHV)’이라 부른다. 주로 LHV의 효율이 더 좋기 때문에 LHV사용 여기서 ΔG 값은 음수로 에너지가 방출 된다는 것을 의미한다.

18 4.3.1 연료 전지의 효율과 효율 한계 이용 가능한 최대의 전기 에너지는 깁스 자유에너지의 변화와 같다. Δ G Δ H
수소 연료 전지의 ΔG 와 최대 기전력 (또는 가역 개회로전압)및 효율 한계 (HHV)기준 . 가능한 최대 효율 = X (%) 이 표는 수소 연료 전지의 효율 한계치를 HHV에 대한 비율로 나타내고 있다. 또한 단일셀로 부터 얻을수 있는 최대 전압도 주어져 있다.

19 4.3.1 연료 전지의 효율과 효율 한계 이 그래프는 카르노 효율한계와 비교한 값이다. T1 - T2 T1
연료전지 효율은 100%가 될수 없다. 750℃ 이상에서는 수소 연료전지의 효율한계값이 열기관보다 더 작다. 그러나 자동차에 사용되는 PEMFC는 약 80℃ 에서 동작하므로 이론적인 최대 효율값은 내연기관의 경우보다 훨씬 더 높다 카르노 효율한계 = 연료 전지, 액체 생성물 연료전지, 수증기생성물 카르노 효율한계, 50 ℃의 배기가스 동작한계(℃) 열 효율 (%)

20 4.3.2 효율과 연료전지 전압 연료 전지의 가장 유용한 특징은 동작전압으로부터 효율을 쉽게 구할 수 있다.
에너지 = 전하량 X 전압 Faraday 상수 F는 1mol의 전자에 대한 전하량을 나타낸다. 따라서 수소연료 1mol이 연료전지에서 사용될 때 효율이 100%라면 다음식이 성립된다. 에너지 = 2F X V100% = Δ H Δ H 2F Faraday 상수에 대한 표준값(96485 coulomb)과 앞서 주어진 2개의 Δ H 를 사용하면 단일셀의 경우 효율이 100%가 되는 HHV의 경우 1.48V, LHV의 경우 1.25 V임을 구할수 있다. V 100% =

21 4.3.2 효율과 연료전지 전압 연료 전지의 효율은 100%가 될수 없으므로 실제 연료전지의 전압은 Vc라 할때 전압과 전기에너지는 직접 비례하기 때문에 다음식이 성립한다. Vc Vc V100% 연료 전지에서 여러셀이 적층된 경우, 관심의 대상이 되는 전압은 단일셀의 평균전압이므로 전체 시스템 전압을 셀수로 나누면 효율을 쉽게 구할수 있다. 또한 100%의 깁스 자유에너지가 전기에너지로 변환될 때 연료전지의 전압이 최대로 된다는 것을 명심해야 한다. 가능한 최대 연료 전지 전압식은 다음과 같다. Δ G 2F 연료 전지 효율= = Vmax=

22 4.3.3 실제 연료전지 전압 PEMFC의 대표적인 전압/전류밀도 곡선 무손실 전압 1.2V
개회로 전압역시 이론적인 무손실 전압보다 작다. 최초의 급격한 전압감소 전압은 서서히 감소하며 그래프는 매우 선형적이다. 전압은 서서히 감소하며 그래프는 매우 선형적이다. PEMFC의 대표적인 전압/전류밀도 곡선

23 4.3.3 실제 연료전지 전압 위 그래프와 같은 전압손실의 원인은 다음과 같은 3가지 주된 원인이 있다.
전극에서 반응을 일으키는데 필요한 에너지인 활성화에너지(activation energy) 때문에 전압강하 발생. 이것은 특히 cathode에서 문제가 되며, 전압강하의 크 기는 일정하다. 전해질과 전극의 저항으로 전압강하 발생, 그 크기는 대체로 Ohm의 법칙을 따 르므로 전체 전류 범위에 걸쳐 전압이 일정한 기울기로 감소. 이것은 저항전 압손실(Ohmic voltage loss)라 한다. 전류가 커지면 공급된 공기중의 산소가 빠르게 소모되면서 남아있는 질소가 필요한 양 만큼 산소를 공급하는데 방해가 된다. 이로 인해 전극에는 반응물이 충분하게 공급되지 않으므로 전압이 감소하게 된다. 이를 물질전달손실(mass transfer loss)또는 농도전압손실 (Concentration voltage loss)라 부른다. 최근 10여년에 걸친 개발로 성능이 크게 향상. 이러한 전압손실도 감소 되었다. 현재 전류밀도가 1A/cm2일 때 평균적 0.65~0.70V의 셀전압, 약50 %(HHV)기준 으로 동작한다.

24 4.3.4 압력 및 가스농도의 영향 앞서 표에서 주어진 깁스자유에너지 변화에 대한 값들은 모두 표준압력 100kPa 에서 순수 수소와 산소가 공급되는 경우이다. 그러나 실제 깁스 자유에너지는 온도, 압력 농도에 따라 변화한다. 이와 관련된 Nernst 식은 다음과 같다. RT P2 4F P1 여기서는 Δ V 압력이 P1에서 P2로 변화할 때 전압의 변화량이다. 전압이 변화하는 다른 요인은 순수한 산소대신 공기를 사용함으로써 전압이 감소 하게 된다. 고온의 연료전지의 경우 Nernst식과 실제 전압변화량이 거의 일치한다. 그러나 저온의 연료전지의 경우 전압변화량이 항상 Nernst식의 값보다 매우 크다. 이는 ‘활성화전압강하’가 가스농도나 압력에 의해 매우 크게 영향을 받기 때문이다. = ( ) Δ V =

25 4.3.4 압력 및 가스농도의 영향 80 ℃ PEMFC의 경우 시스템 압력이 2배로 증가 하였을 경우
RT P X ( ) 4F P X 96485 = V (셀 당 전압) 실제 전압 증가량은 보통 0.04V정도로써 거의 10배에 가깝다. 하지만 증가량은 그다지 크지 않는 반면 시스템을 고압으로 운전시키면 비용이 증가 하게 된다. 전압이 커짐으로써 얻은 에너지가 펌프로 공기를 고압으로 만드는데 필요한 에너지 보다 더 크지 않기 때문이다. 자동차에 적용되는 PEMFC의 경우 물의 균형( water balance)를 더 쉽게 하기 위해 보통 1.5~2bar정도의 대기압이상의 압력에서 동작한다. ln(2) Δ V = = ( ) =

26 이부분에서 반응이 일어나면 전자는 전극의 표면을 따라 긴거리를 이동
4.4 셀의 직렬 연결 -양극판 운전중인 연료 전지의 전압 약 0.7V 필요한 전압을 발생시키기 위해 많은셀은 직렬 연결 이를 ‘스택(stack)’ 이라 한다. 각 cathode에 공급되는 산소 전해질 이부분에서 반응이 일어나면 전자는 전극의 표면을 따라 긴거리를 이동 각 anode에 공급되는 수소

27 4.4 셀의 직렬 연결 -양극판 MEA 단일 셀의 구조 Anode Part Cathode Part End plate
수소 주입구 수소배출구 양극판 산소 배출구 산소 를공급하기 위한 유로 anode cathode 고분자 전해질 막 GDL 촉매 GDL

28 4.4 셀의 직렬 연결 -양극판 단일 셀의 구조 유로 고분자 전해질 막 양극판 GDL Electric plate
End plate GDL 양극판 유로

29 4.4 셀의 직렬 연결 -양극판 3개의 셀을 연결한 모습 3개의 셀을 실제 연결한 모습
Man Nutzfahrzeuge AG사의 PEMFC stack 각 스택은 160개의셀을 직렬 연결한 4개의 스택으로 되어 있다.

30 4.5 PEMFC에서의 물관리 4.5.1.물 문제에 대한 소개 연료 전지의 공기가 공급되는 양의 전극 anode 에서 화학 반응에 의해 물이 생성된다. 공기가 이 전극에 공급되고 공기를 불어 넣으면 필요한 산소를 공급할 수 있으므로, 연료 전지 외부로 생성된 물을 증발 시키거나 배출시킬수 있다. 이것은 실제로 PEMFC 내부에서 일어 나고 있으나 상세한 부분은 더 복잡하고 관리하기도 어렵다.

31 Dupont 사의 nafion 고분자 전해질 막
PEMFC의 전해질 고분자 전해질막을 제작하는 업체들은 고유의 특별한 기술을 가지고 있으며 대부분 지적 재산권으로 보호. 일반적으로 플루오로에틸렌(flouroethylene)으로 알려진 슬폰화된 플루오로폴리머(sulphonated flouropolymer)를 공통적으로 사용. 이 가운데 가장 잘 알려지고 확실한 성능을 가진 나피온(®nafion, Dupont)사 제품을 가장 많이 사용 Dupont 사의 nafion 고분자 전해질 막

32 PEMFC의 전해질 전해질에 사용된는 물질의 구조는 기본적으로 합성 고분자 물질인 폴리 에틸렌(polyethylene)에서 시작된다. 폴리 에틸렌의 구조 이와같은 기본구조에서 수소를 불소로 치환하면 ‘수소의 불소치환화(perflourination)’라하고 기본구조를 테트라 플루오로 에틸렌(tetraflouoroethylene)이라 부른다. 이와 같이 치환된 고분자를 폴리 테트라 플루오로에틸렌 (Polytetra-flouroethylenr,PTFE)라 부르고 Imperial chemistry industry 사의 등록 상표인 테프론(Teflon)이란 이름으로 판매 되고 있다.

33 4.5.2 PEMFC의 전해질 PTFE는 불소와 탄소 사이의 강력한 결합력 때문에 화학적 부식에 강한 내구성을 가진다.
또한 소수성(hydrophobic)이 대단히 크기 때문에 이 물질을 전극으로 사용하면 전극에서 생성된 물을 쉽게 제거하여 수분이 범람(water flooding)하는 것을 방지 할 수 있다. 이 때문에 PEMFC뿐만 아니라 PAFC 와 AFC에도 사용 된다. 그러나 전해질을 만들기 위해선 기본적인 PTFE고분자는 슬폰화 되어 있어야 한다 - 즉 ‘겉 사슬 (side chain)’이 붙어 있고 겉사슬 끝단엔 슬폰산인 HSO3가 붙어 있다.

34 4.5.2 PEMFC의 전해질 슬폰화된 플루오로 에틸렌의 구조 .
슬폰화 플루오로에틸렌은 퍼플루오르슬폰산 (PTFE) 공중합체 (perflourosulphonic acid PTFE copolymer)라고도 한다. NAFION의 분자 구조 세부적인 구조는 nafion의 종류에 따라 다르고 막의 제조법에 따라서도 다르기 때문에 지적 재산권으로 되어 있다. 슬폰산의 핵심적인 특성은 친수성(hydrophyllic)이 강하다. 이와 같은 특성 때문에 한쪽끝은 물과 쉽게 혼합되고, 다른쪽 끝은 오염물질에 부착된다.

35 친수성 슬폰산 곁사슬 덩어리 주변에 물이 모인다..
PEMFC의 전해질 친수성 슬폰산 곁사슬 덩어리 주변에 물이 모인다.. 슬폰산 아이오노머(ionomer, 고분자 전해질의 일종)의 주요한 특징 화학적으로 상당히 강하다 기계적인 강도가 크므로 50 μm까지 매우 얇은 필름으로 만들수 있다. 대량의 수분흡수 수분이 적절히 포함되어 있으면 H+이온은 내부를 자유롭게 이동 . 슬폰화 곁사슬덩어리 주위에 친수성 영역은 대량의 수분을 흡수, 건조시 보다 50%이상 무게 증가 수분 함유량이 감소하면 전기전도도 역시 대체적으로 선형적 감소

36 4.5.3 PEM의 수분 유지 셀의 운전중에 anode에서 cathode로 이동하는 H+이온은 물분자를 끌어 당긴다 이 현상을 ‘전기삼투흡인(electro – osmotic drag )’라 한다. 이는 전류밀도가 큰 경우 전해질의 cathode쪽은 수분이 충분하더라도 전해질의 anode쪽은 건조해 질 수 있음을 의미 한다. 셀 전체에 걸쳐 전해질의 수분이 정확히 균일해야 한다. 고온의 공기에 의한 건조 효과(drying effect)이다. PEMFC는 85℃에서 동작하고 있다고 하면, 전해질이 건조되지 않게 하는 것은 매우 어렵다. 이 문제를 해결하기 위한 유일한 방법은 공기, 수소 또는 양쪽 모두를 셀에 공급하기 전에 가습시키는 것이다. 공기나 수소에 필요한 수분은 연료전지에서 배출되는 공기로부터 얻어야 하므로 자동차용 연료전지가 가져야 할 중요한 특징은 연료전지에서 배출되는 습기 찬 공기로부터 어느 정도 물을 응축시키는 방법이다.

37 GM 사의 시범 운행용 Hy-wire 연료 전지 자동차의 측면에 설치된 급속 냉각핀
4.6 PEMFC의 열관리 연료 전지는 내연기관보다 효율이 높아 열의 방생이 작다. 그러나 내연기관에서는 폐열의 대부분이 배기가스를 통해 발산되지 만 연료 전지의 경우 산소가 소모되고 다소 습한 상태에서 셀에서 배출되는 공기는 약 85℃정도로 가열되므로 작은 양의 에너 지만 빠져나가게 된다. 따라서 냉각시스템은 최소한 내연기관과 같거나 보통은 상당히 많은 열을 더 많 이 제거 해야 한다. 소형 연료전지에서는 cathode를 통과하는 잉여 공기에 의해 폐열 제거 가능 공기는 산소를 공급하고 생성된 물을 제 거하며 셀을 냉각시킨다. 하지만 100w정도의 출력을 갖는 연료전지만 가능하다. GM 사의 시범 운행용 Hy-wire 연료 전지 자동차의 측면에 설치된 급속 냉각핀

38 4.6 PEMFC의 열관리 양쪽면에 밀봉 개스킷이 장착된 MEA 냉각공기 공급유로 반응공기 공급유로 수로 공급유로 냉각을 위한 또 다른 방법은 cathode로 공급하는 ‘반응용 공기 (reactant air)’ 를 반 응에 필요한 양보다 2배 정도 많이 공급하여 셀을 건조시키지 않게 하거나 ‘냉각 용 공기(Cooling Air)’ 를 양극판의 유로를 통해 불어 넣는 것이다.

39 4.6 PEMFC의 열관리 대용량 연료 전지 셀에서의 냉각수 공급 유로
이와 같이 냉각공기를 공급하는 구조는 2~3kw의 연료전지의 경우 만족스럽게 동작. 주로 전기 스쿠터 등에 사용 포드(Ford) 사의 Focus FCV (Fuel Cell Vehicle) 에서 사용되는 냉각 펌프와 팬 시스템 자동차나 버스와 같은 고 출력에 사용된다.

40 4.7 완전한 연료전지 시스템 연료 전지는 수소가 하나의 전극에 공급되고 다른 극에는 산소가 공급되어 전력이 발
생된다. 유일한 부산물은 물이다. 거의 모든 연료 전지는 공기와 연료를 스택에 공급하기 위해 펌프나 송풍기를 사용 가습(humidification)시스템을 위해 컴프레셔(compressor) 사용 가습을 위해선 물 회수(water recovery)시스템와 냉각 시스템 필요 연료 전지 스택의 직류 출력은 전기적 부하에 직접 사용하기엔 적절하지 않기에 전력 조절 장치(Power conditioning unit)필요 ex, 전압 조정기, DC/DC컨버터등 압력 조절기는 물론, 다양한 제어 밸브(control Valve)필요 시스템을 통합하기 위한 전자적인 제어기 연료 전지 스택외 나머지 장치들(BOP)들은 전체 시스템 부피의 반이상을 차지 하면서 이 모든 주변 장치들은 구동에너지가 필요 하기 때문에 연료 전지의 효율에 영향을 미치다.

41 4.7 완전한 연료전지 시스템 연료 전지의 전극과 전해질외 주변 장치 (balance of plant, BOP)의 도식화 모습 Preheat or evaporization Reformer Water Gas Shift Reactor Reformate Purication Preheat & Humidity Control Radiator Fuel Cell Stack Humidification FUEL AIR Thermal and water management Waste Heat Water and Heat Recovery

42 4.7 완전한 연료전지 시스템 Gm사 115kw 급 연료 전지 자동차 Mercedes-Benz사의 B class연료전지자동차
Suzuki 사의 연료전지 오토바이

43 Comfort, excellent acceleration, lower noise associated with
4.7 완전한 연료전지 시스템 Comfort, excellent acceleration, lower noise associated with electric drive system 현대 투싼 연료 전지 자동차

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