화학에서 연료 전지의 작동 원리는 무엇입니까?

연료전지의 기본 작동 원리 장거리 여행을 준비하기 전에 신용카드나 지갑을 소지하고 있는지 확인하는 것을 잊지 않습니다. 물론 휴대전화나 노트북용 예비 배터리와 충전기도 있습니다. 이들의 중요성은 휴대폰과 노트북에 대한 의존도가 높아지고 있습니다. 문제의 핵심은 배터리의 제한된 근무 시간으로, 현재 휴대용 전자제품에 사용되는 리튬 이온 배터리는 더 이상 장시간 운영해야 하는 수요에 대처할 수 없다는 점이다. 휴대전화의 일반 리튬 배터리는 며칠 동안만 유지될 수 있고, 노트북의 배터리는 몇 시간밖에 남지 않는다. 무선 기술과 오디오 및 비디오 기능이 인기를 끌면서 배터리의 근무 시간에 대한 요구가 날로 늘어남에 따라 리튬 배터리와 니켈 배터리를 포함한 전통적인 2 차 배터리가 병목 현상이 되면서 휴대용 제품이 더욱 풍부한 기능의 방향으로 발전하게 되었습니다. (윌리엄 셰익스피어, Northern Exposure (미국 TV 드라마), Northern Exposure (미국 TV 드라마), 라디오명언) 기존 2 차 배터리에 비해 연료 전지의 에너지는 최소 1 배 높다. 리튬 이온 배터리는 3 Whr/L 의 전력 밀도를 제공하는 반면, 메탄올 연료 전지의 전력 밀도는 48 Whr/L 에 달하며, 1ml 의 메탄올은 13.5 시간의 통화 시간 또는 642 시간의 대기 시간을 보장할 수 있다. 이에 따라 도시바, IBM, NEC 등 국제적으로 유명한 많은 전자회사들이 연료 전지를 연구하는 데 정력과 재력을 쏟고 있으며, 현재 세계 상위 1 대 수익업체는 월마트를 제외한 수소 에너지나 연료 전지 산업에 투자하고 있다. 휴대용 앱을 전문으로 하는 DMFC

이론적으로 연료전지 (Fuel Cell) 는 배터리가 아니라 연료 (예: 수소) 와 산화제를 전극반응을 통해 전류를 직접 생성하는 장치다. 그 생성물이 물이기 때문에 상당한 친환경 우위를 점하고 있다. 연료 전지의 일반적인 구조는 적층 배터리 단위의 스택 (Stack) 이며, 스택에는 여러 개의 개별 연료 단위가 포함될 수 있습니다 (그림 1). 각 단위의 기본 구조는 전해수 장치와 유사하며 두 개의 양수 및 음수 전극 (양극과 음극), 전해질 및 촉매제를 포함합니다. 양극은 수소 전극이고, 음극은 산소 전극이며, 양극과 음극에는 모두 일정량의 촉매제가 함유되어 있어 전극에서 발생하는 전기화학 반응을 가속화하기 위한 것이다. 수소산소반응을 예로 들면, 음극 촉매제의 작용으로 수소 분자가 2 개의 수소 이온으로 분해되면서 동시에 2 개의 전자가 방출된다. 차단막이 전자에 대한 여과 작용으로 전자가 전해질을 통과할 수 없어 전해질을 우회할 수 없어 전류가 형성된다. 수소 이온은 전해질을 통해 음극과 공기 중의 산소 원자 반응에 도달하여 물을 만들 수 있다 (그림 2).

그림 1 연료 전지의 기본 구조 그림 2 연료 전지의 기본 작동 원리 작동 원리에서 촉매, 전극, 다이어프램 및 전해질이 연료 전지의 주요 재료라는 것을 쉽게 알 수 있습니다. 각종 연료 전지의 작동 원리는 기본적으로 유사하며, 그 분류는 전해질의 재료에 의해 결정된다. 현재 광범위하게 개발되고 있는 연료 전지로는 양성자 교환막 연료 전지 (PEMFC), 직접 메탄올 연료 전지 (DMFC), 알칼리성 연료 전지 (AFC), 인산염형 연료 전지 (PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지 (MCFC), 고체 산화물 연료 전지 (SOFC) 가 있다. 또한 작동 온도와 발전 전력의 차이 (표 1) 로 인해 연료 전지 응용 분야는 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라, 휴대폰, PDA 등 네 가지로 나눌 수 있습니다. 주거용 발전, 주거 또는 대기 전원 공급 장치 모두; 운송 차량, 자동차, 버스 등 대형 발전 빌딩 발전, 소형 및 대형 발전소. 이 중 PEMFC 는 연소를 거치지 않고 전기화학반응으로 연료와 산화제의 화학에너지를 전기에너지로 직접 지속적으로 변환해 에너지 변환 효율 (보통 4 ~ 6%, 내연 기관은 18 ~ 24%) 의 장점을 가지고 있어 특히 자동차용 기술이 널리 사용되고 있다. 또 주목받는 것은 DMFC 로, PEMFC 에 속하며 모두 중합체 차단막을 채택하고 있지만 DMFC 는 액체 메탄올을 연료로 사용하며 수소 연료 전지에 비해 DMFC 는 배터리 시스템 구조, 연료원 등 여러 방면에서 어느 정도 우위를 점하고 있다. 양극 촉매제는 액체 메탄올에서 수소분자를 직접 추출할 수 있어 연료 재조합기 (Reformer) 가 필요 없기 때문에 고순도 메탄올을 배터리의 연료로 직접 사용할 수 있다. 배터리 크기를 줄이고 시스템 구조를 간소화하는 데도 효과적이므로 휴대용 전원으로 민간공업과 군사공업 (예: 전기자동차, 전기자전거, 휴대폰, 노트북) 에 사용하기에 더 적합하다.

DMFC 는 현재의 2 차 배터리에 비해 연료 전지의 일관된 장점을 가지고 있습니다. DMFC 의 이론적 전력 밀도는 478 Whr/L 로 니켈 수소 2 Whr/L, 리튬 이온 31 Whr/L 보다 훨씬 높기 때문에 더 긴 근무 시간을 지원할 수 있습니다. 또한 2 차 배터리 축전/방전의 작동 메커니즘과 달리 연료 배터리는 에너지 변환기라고 할 수 있으며, 연료를 지속적으로 공급하기만 하면 지속적으로 전기를 생산할 수 있으며, 전력 중단이나 배터리 교체는 고려하지 않습니다. 또한 DMFC 는 하이브리드 전원 공급 장치를 통해 연료 전지를 점차적으로 받아들이는 것을 고려하고 있습니다. 이런 방식으로 하이브리드 자동차는 이미 적극적으로 검증되었습니다. 혼합 전원은 연료 배터리와 에너지 저장 장치 (예: 수퍼 콘덴서 또는 배터리) 를 결합한 것으로, 연료 배터리는 일정한 전력을 제공하고 정전용량 또는 배터리로 최대 전력 요구 사항을 충족합니다. 연료 전지의 산업 체인은 재료, 부품, 하위 시스템 및 시스템의 네 부분으로 구성되며, 대부분의 유명 전자소비재 회사들은 일본의 삼양, 소니, 도시바, 후지쯔 한국의 삼성과 LG, 중국의 비아디 등 자신의 전자제품의 미래 경쟁력을 보장하기 위해 DMFC 연료 전지 시스템 연구에 종사하고 있습니다. 또한 미국 MTI Micro Fuel Cells, Angstrom Power, 대만 Antig, 모토로라가 투자한 캐나다 Tekion Inc 등 시스템 개발을 전문으로 하는 회사들도 있습니다. 이들 회사는 대부분 대형 전자회사와 협력하는 방식 * * * 을 통해 공동으로 개발했다. MTI Micro 가 한국 삼성과 독점 동맹을 맺은 것처럼, MTI Micro 는' Mobion' 이라는 DMFC 기술을 이용해 삼성의 휴대전화 업무를 위한 차세대 연료 배터리 원형을 개발할 예정이다.

표 1 다양한 연료 전지의 성능 비교

출처: Fuelcelltoday.com

산업 체인 상류에는 유명한 듀폰사와 인텔이 투자한 폴리 펄 회사 등 전해질막 같은 재료 개발을 전문으로 하는 회사다 전체 산업 체인의 노력으로 연료 전지는 군용과 항공 등 전문 분야에서 상용화 규모 적용 단계로 빠르게 진입하고 있다. 북미, 일본, 유럽, 대만은 이미 선두를 달리고 있으며, 우리나라는 연료전지 분야의 연구와 개발에 어느 정도 진전을 이루었지만, 상술한 국가와 지역에 비해 R&D 투입력, 기술 연구 깊이 등에 차이가 있다. 이 문제는 이미 우리나라의 중시를 불러일으켰으며, 지금은 이미 에너지 전력 업계에서 가장 중시되는 과제 중 하나이며, 국가 정책 지원의 신흥 에너지 산업이기도 하다.

DMFC 가 시급히 돌파해야 할 장애

DMFC 의 핵심 부품은 그늘, 양전극, 고분자 전해질막 열압으로 만들어진 적층 배터리 장치 (Stack) 로 두께가 1mm 에 불과하다. 이렇게 하면 전극의 촉매제가 가능한 양성자 교환막과 효과적으로 접촉하여 변환 효율을 높이고 배터리의 부피를 줄일 수 있습니다. 양성자 교환막은 메탄올과 산소를 격리시켜 직접 반응하고 양성자와 절연전자를 교환하는 역할을 하며, 투과성을 선택하는 중합체막으로, 배터리 중 강산성 산화성 등 까다로운 환경에서 작동하기 때문에 매우 높은 내식성을 필요로 하며, 전기성과 열전도성 등을 필요로 하며, 재료 특성 요구 사항은 매우 엄격하다. 고분자 전해질막은 수년 동안 DMFC 발전을 괴롭히는 큰 난제였다. 수소 이온은 물의 운반에 의해 음양극을 분리하는 고분자 막을 통과해야 하지만, 과정에서 메탄올은 쉽게 동반된다. 메탄올과 물은 비슷한 특성을 가지고 있기 때문이다. 현재 연구원들은 두 가지 다른 각도에서 이 난제를 해결하려고 시도하고 있다. 하나는 메탄올의 농도를 조절하거나 메탄올과 고분자막을 분리하는 촉매 격리층을 늘리는 것이다. 또 다른 방법은 메탄올과 물의 혼합을 줄일 수 있는 전해질막에 의존하는 것인데, 몇몇 회사들은 이미 이런 제품을 개발했다. 메탄올을 완전히 격리시킬 수 있는 박막이 있을 것이라고 생각하는 사람은 아무도 없다. 또한 일부 설계에서는 약간의 메탄올이 혼합되어 음극에서 산화되고 소량의 열을 방출하여 전체 연료 전지의 반응률을 높일 수 있다. 22 년 이스라엘 텔아비브 대학은 먼저 메탄올의 직접적인 방식을 성공적으로 개발한 휴대전화 연료 전지를 개발했다. 사용 된 전해질 막은 주로 폴리 불화 디 플루오로 B (PVDF) 와 실리카로 구성된 탄소 불소 화합물로 구성된 미국 듀폰이 생산하는 "Nafion" 과는 달리 메탄올의 침투율을 한 자릿수로 낮췄다. 미국의 PolyFuel 은 탄화수소로 만든 차세대 전해질막을 이용해 대표적인 불소 전해질막인 듀폰사' Nafion 117' 의 1/2 로 메탄올 침투율을 조절했다. 또한 PolyFuel 의 최신 PolyFuel 2mm 는 최대 전력 밀도를 19 Ma/cm2 로 높였습니다. PolyFuel 의 CEO Jim Balcom 은 전해질막 전력 밀도가 높아지면 배터리 단위의 부피를 줄일 수 있다고 말했다. 또한 PolyFuel 2mm 는 공기 극에 의해 생성된 수향 연료극의 역확산 (Water Back Diffusion) 을 높여 시스템의 크기와 복잡성을 줄입니다.

후지쯔가 연료 전지로 DFMC 를 사용하는 노트북

사진 출처: Fuelcelltoday.com

표 1 을 비교해 보면 DMFC 의 전력 밀도는 몇 가지 기술 중 가장 낮은 것으로 나타났다. 이는 내부 메탄올이 수소를 재조합하여 기존 연료 전지 전력이 내부 소비 (Over Potential) 로 인해 출력 전력이 감소하는 것을 피할 수 없기 때문이다. 예를 들어 PEMFC 의 전력 밀도는 25~1mW/cm2 (연료 성분과 작동 조건에 따라 다름) 이지만 DMFC 의 전력 밀도는 25 ~ 1MW 에 불과하다.

히타치 PDA 및 사용 중인 연료 전지

사진 출처: Fuelcelltoday.com

메탄올 사용에 또 다른 장애물은 안전 규정입니다. 현재, 메탄올은 여행객이 메탄올을 휴대하는 것을 관리하는 조직이나 기준이 없기 때문에 여전히 상업 항공편을 소지하는 것이 금지되어 있다. 그러나 25 년 국제민항기구는 여행객이 메탄올을 휴대하는 것을 금지하는 규정을 취소하자고 제안했다. 최근 MICRO 의 CEO Peng Lim 은 기자에게 국제민항기구가 이 규정을 취소하기로 동의했고 미국 교통부는 내년 1 월부터 시행할 계획이라고 밝혔다. Peng Lim 은 일단 금지가 해제되면 연료전지의 우세는 장거리 여행에서 완전히 드러날 것이라고 밝혔다. 동시에 소비자도 연료 탱크 (Cartridge) 의 안전에 대해 걱정할 필요가 없다. 연료 탱크의 설계와 제작은 국제기구의 인증을 받아야 하기 때문이다. 결론 와 CDMA,GPS 등 인기 있는 기술과 마찬가지로 연료 전지도 군사용이나 항공에서 민간으로 전환하는 과정을 거쳤으며, 연료 전지의 발전 과정은 이미 1 년이 넘었으며 기술과 안전 방면에서 검증되었다. 이제 연구원들은 어떻게 하면 사람들의 일상생활에 순조롭게 들어갈 수 있는지 고려해야 한다. 연료 전지 개발에 종사하는 대부분의 회사들은 휴대용 소비 전자가 절호의 돌파구라고 생각한다.

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