연료전지의 종류와 연료전지 촉매의 특징

 3) 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Cell)의 전해질

 인산은 저렴하고 풍부하게 존재하며, 이산화탄소를 의한 성능 저하가 없다. 따라서 이산화탄소를 포함한 연료나 공기를 산화제로 이용하는 지상에서 사용하기 적합하다는 특징이 있다. 하지만 AFC의 전해액과 달리 다른 물질을 부식시키는 성질이 강하다는 단점이 있고, 저온에서는 점도가 높고 이온 전도성이 낮기 때문에 인산의 녹는점인 42,35℃를 넘겨야 하기에 고온(170℃~230℃)에서 이용해야 효율이 좋다는 제약사항이 있다.

 

 4) 고체산화물형 연료전지의 (SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 전해질

 MCFC는 탄산리튬과 탄산칼륨의 혼합인 액체 전해질을 이용한다. 이들 탄산염의 녹는점은 각각 단독으로 700~900℃로 높지만, 혼합시 400~500℃로 내려간다. 전지반응에는 600~700℃가 필요한데, 고온에서 작동하기 위해서 개선해야 할 필요가 있다. 가동정지나 출력억제 등 운전면에서도 유연성이 저하된다. 하지만 탄화수소계연료에서 개질반으에 의해 연료를 공급할 경우에는 변성반응도 불필요하며 개질반응뿐 아니라 반응열로 전지배열을 그대로 이용할 수 있어 효율적이다. 

 

 연료전지 촉매 역하르 종류 및 특징

 촉매는 전극에서 산화, 환원반응을 촉진하는 역할을 한다. 연료극에서는 H2를 수소이온과 전자로 분리하는 산화반응을 돕고, 공기극에서는 O2를 O원자료 쪼갠 뒤 음극에서 나온 전자와 반응하도록 돕는다.

 1) PEMFC 촉매

 PEMFC의 주 촉매는 백금이다. 고분자전해질막 경우 높은 온도에서 건조현상이 발생하는데, 그렇게 되면 이온 전도성이 크게 저하되는 특징이 있다. 백금은 전도성이 좋기 때문에 비교적 낮은 온도에서 전기화학반응이 용이다. 던범으로는 비싼 가격 때문에, 연료전지의 제조원가를 높이는 원인이 된다. 최근엔 원가절감을 목적으로 다양한 기술이 개발 중이다. 그 예로 카본 담지 백금 촉매가 있는데, 백금을 3~5mm 의 나노 입자를 가공하여 탄소에 담지시켜 이용률을 극대화하고 있다. 촉매층은 백금을 담지한 카본 블랙에 결착기능과 발수성을 갖춘 PTFE(폴리네트라 플루오루에틸렌)과 고체고분자막과 같은 성분의 물질을 혼합하여 형성한다.

 2) AFC의 촉매

 PEMFC와 마찬가지로 저온에서 운전되기에 백금이 주로 사용된다. 하지만 그러나 PEMFC와는 다르게 최근 상대적으로 가격 경쟁력이 있는 다양한 전이금속과 전이금속산화물 촉매들이 염기성 조거에서 안정된 성능을 보여주는 것이 알려짐에 따라 AFC에서 다양한 촉매들에 대한 특성 및 성능에 대한 연구가 다시 활발히 진행되고 있다.

 3) PAFC의 촉매

 백음이나 백금 혼합물을 사용한다. 촉매층은 탄소기판상 촉매가루와 PTFE 가루를 결착시켜 구성한다.

 4) SOFC의 촉매

 고체산화물형 연료전지의 가장 독특한 특성은 운전 온도가 약 100℃ 로써 높다는 것이다. 이 온도에서는 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화반응이 일어나고 촉매없이 연료가 개질된다.

 5) MCFC의 촉매

 운전 온도는 약 650℃로써 촉매가 불필요하지만, 전기전도성 제고를 위해 촉매 사용시 비귀금속 촉매인 니켈 사용이 가능하다.

 가스확산층, 분리판, 가스켓 역할 및 특징

 가스화산층은 전극에 연료 및 공기를 공급해주고 생성된 전기를 모집하는 역할을 수행하며 보통 100~300㎛정도의 두께를 가지느 ㄴ다공성 탄소지나 탄소섬유로 만든다. 가스확산층은 촉매로의 가스의 이동을 원활하게 해주는 동시에 수분관리에 필요하다. 가스확산층은 전해질에 적당한 수분이 존재하도록 하고 고분자전해질막의 높은 이온 전도성을 유지하게 한다. 다만, 방수제 처리후 공기극의 과도한 수분이 존재하는 것을 막아야한다.

 셀을 적층하여 구성할 경우 각각ㄱ의 셀의 연료극과 공기극의 활물질이 접촉될 수 있는데, 분리판이 이를 격리하는 역할을 한다. 유로(Fluid flow channel)를 통해 반응가스를 공급하는 역할을 하고 전기전도, 반응에서 생성된 물을 배출하고, 내부의 열을 관리하는 역할도 한다. 또한 분리판은 MEA 양쪽에 붙어 있으면서 연료와 산소를 공급해주는 역할과 전류를 수집하는 역할도 수행한다. 분리판에는 기체가 흐르는 유로가 성형되어 있고 가벼워야하며 강도가 충분하고 가스가 누수를 막고 전기전도도가 높아야 한다.