연료전지 및 그 연료전지의 작동 방법 document_id A220623068392

연료전지는 일종의 동력생산 장치이다. 보다 상세하게는 H2-O2형 양성자 교환막 연료전지는 연료용 수소와 산소가 수산화반응을 통해 전기에너지를 생산하는 연료전지이다. 이러한 연료전지에는 일반적으로 연료전지 스택, 수소와 산소의 공급원, 가습 시스템, 냉각 시스템 및 제어시스템을 포함한다. 도 1은 종래 기술 중 전형적인 H2-O2형 연료전지를 표시한 일례로서, 그 중，(21)은 수소 공급원, (22)는 수소 가습 시스템, (23)은 산소 공급원, (24)는 산소 가습 시스템, (25)는 수소 감압 밸브, (26)은 산소 감압 밸브, (27)은 수소 배출 밸브, (28)은 산소 배출 밸브, (29)는 수소 순환 펌프, (30)은 냉각시스템, (31)은 외측에 연결한 부하, (32)는 연료전지 스택이다. 기존의 많은 연료전지에서는 순환 펌프 (29)가 포함되지 않는다. 액체 냉각과 공기 냉각의 두 가지 냉각 시스템을 이용할 수 있다. 공기 냉각방식은 주로 열량생산이 보다 적은 1 킬로와트 이하 단위의 전지에 이용된다. 공기 냉각방식은 일반적으로 소형 환기장치로 충분하다. 1 킬로와트 이상 단위의 전지는 열 생산량이 보다 많기 때문에 반드시 액체 냉각방식을 이용하여 열을 발산시켜야 한다. 이러한 냉각방식은 펌프, 열교환기 및 수처리장치 등 다양한 장치를 필요로 하기 때문에 상대적으로 비교적 복잡하다. 연료전지 스택 (32)는 H2-O2형 양성자 교환막 연료전지에서 필수 부품이다. 이는 하나 이상의 멤브레인 전극 어셈블리와 유동장 플레이트(flow field plate)를 포함한다. 멤브레인 전극 어셈블리는 연료반응이 발생하는 장소이며, 양성자 교환막, 막 양측 상의 촉매층 및 가스 확산층을 포함한다. 유동장 플레이트는 표면 위에 유동 채널이 있는 흑연판 또는 금속판이다. 이러한 유동 채널이 막히면 연료가 촉매층 표면에 도달할 수 없어 전지반응의 발생에 의한 전기에너지를 생산할 수 없다. H2-O2형 연료전지에 있어서, 연료전지 내의 반응은 아래와 같다. 양극: H2-2e＝2H+ 음극: 1/2O2+2H++2e=H2O 총 반응: H2+1/2O2=H2O 상기의 반응식에서 표시한 바에 따르면, 1Ah 당 전기량에 대해 연료전지 스택에서의 단일 전지는 음극에서 0.0187mol(0.34g)의 폐수를 생산할 것이다. 연료전지의 작동 동안, 물이 유동장 플레이트의 유동 채널에 모여 연료가 멤브레인 전극에 이르러 반응을 하게 되는 통로를 막히게 한다. 그러지 않을 경우 생성된 물을 연료전지로부터 배출하여야 한다. 물은 증발한 후 가스상태로 반응가스와 함께 배출되거나 또는 액체상태로 반응가스와 함께 배출된다. 동일한 전류에서 H2-O2형 연료전지의 이론 산소 소모량은 H2-공기형 연료전지의 이론 공기소모량의 21％이다. 따라서, 동일한 출력인 경우, H2-O2형 연료전지의 폐기물 배출량은 H2-공기형 연료전지보다 많이 적다. 가습하지 않은 상황하에서도 H2-O2형 연료전지가 생성한 대부분 물은 여전히 주로 액체상태로 배출된다. H2-공기형 연료전지가 배출한 배기가스는 주로 공기 중의 질소와 같은 불순물이다. 순수한 산소 가운데도 여전히 0.01～0.05v％의 불순물이 함유되어 있다. 만약 지속적으로 몇시간 동안 작동하고나서도 가스를 배출하지 않았다면, 유동 채널 중 연료 불순물의 농도는 아주 높아져 연료전지의 성능에 영향을 주게 된다. 그리고 배기가스를 배출할 때, 생성된 액체상태의 물도 배출된다. 물과 배출한 배기가스를 함께 쉽게 배출하기 위해, 연료(즉, 반응연료)는 반드시 아주 높은 유동속도를 유지하여야 한다. 하지만 유동속도를 증가시킴에 따라 대량의 미반응 연료를 배출하게 됨으로 전지의 효율을 감소시킨다. 종래의 기술에서, 일반적으로 유동장 플레이트 설계에 대한 개선을 통해 유동 채널의 횡단면적을 감소시켜 수소 또는 산소 등 연료의 유동속도를 증가시킨다. 이는 물의 배출능력을 증가시키고 연료의 사용량 또는 소모량을 감소시킨다. 하지만 이론 산소소모량은 아주 작기 때문에 배수능력은 여전히 제한을 받는다. 유동장 플레이트에 대한 최적화 설계를 진행하였다 할지라도 충분한 배수를 위해서는 실제 산소소모량이 이론 산소소모량의 2배가 되어야 한다. 연료의 이용률을 증가시킴에 있어서 더욱 선진적인 연료전지 시스템은 배기가스가 가스와 수분 제거장치를 통과한 후 가압 펌프를 이용하여 배기가스를 반응가스 파이프라인으로 순환하여 돌려보내는 것이다. 이는 배기가스 배출기간에 미반응 연료의 손실을 줄이고 연료의 사용을 감소시킬 수 있다. 하지만 이러한 반응은 시스템의 출력 손실을 증가시켜 총 에너지효율의 증가를 제한한다. 그리고 이러한 설계는 또한 시스템의 복잡성을 증가시켜 제조원가를 증가시킨다. 종래 기술의 이러한 제한으로 인하여, 새로운 연료전지 및 저 배출, 고 에너지 효율의 연료전지를 제조하기 위한 연료 공급, 가스 배기 및 물과 같은 액체 배출 방법이 필요로 하게 된다.