연료전지와 연료전지자동차

소개글

연료전지와 연료전지자동차에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 개요

2. 연료전지의 기본원리
2.1 연료전지의 열역학적 해석과 기전력
2.2 효율과 효율의 한계
2.3 압력과 가스 농도의 영향
2.4 연료전지의 장점

3. 연료전지의 종류
3.1 알칼리형 연료전지(AFC)
3.2 인산형 연료전지(PAFC)
3.3 용융탄산염형 연료전지(MCFC)
3.4 고체 산화물 연료전지(SOFC)
3.5 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)
3.6 그 밖의 연료전지

4. 연료전지 자동차
4.1 연료전지 자동차와 전기자동차의 비교
4.2 연료전지 자동차용 연료전지와 연료
4.3 연료전지 자동차의 기본구성
4.4 연료전지 자동차의 장점과 문제점
4.5 연료전지 자동차의 국내외 개발현황

5. 연료전지 자동차의 전망 및 결론

본문내용

소지(substrate)가 서서히 산화되어 표면적이 감소하게 되며 이에 따라 마이너스극과 백금촉매와의 갈라짐이 일어난다.
② 백금결정이 카본 위에서 이동하여 다른 백금입자와 뭉쳐짐으로서 더 큰 결정을 이루게 되어 촉매의 표면적을 감소시킨다.
③ 백금은 산에서 매우 느리게 용해된다. 그래서 용해 및 재침적(dissolution & reprecipitation)하여 결정크기의 증가를 가져온다.
이러한 3가지 메카니즘의 결과는 마이너스극의 촉매 표면적을 감소시키는 요인으로 점점 유력하게 해석되고 있다. 마이너스극의 전위, 온도, 산농도(water content), 산소분압이 그 중요한 인자가 되나. 그러나 훨씬 더 중요한 것은 카본표면의 특성과 백금합금의 조성이다. 백금의 이동과 용해 및 카본의 산화는 재료의 특성에 조금만 더 관심을 기울인다면 크게 줄일 수 있다.
전지 성능을 떨어뜨리는 또 다른 원인으로 다음을 들 수 있다.
① 저항의 증가 또는 불충분한 전해질로 인한 가스의 crossover
② 적절하지 않은 발수성 때문에 마이너스극의 반응면적의 감소와 농도 분극의 증가
③ 마이너스극과 플러스극의 촉매독(sulfur, CO)에 의한 촉매활성도 감소
④ 접촉압력의 저하로 인한 접촉저항 증가
⑤ 외부의 가스 누출
이러한 모든 문제는 실제로 일어나고 있으며 앞으로도 일어날 가능성이 충분히 내포되어 있다. 따라서 PAFC의 고유 기술로서는 취급되지 않는 이러한 문제들은 디자인이나 제작에 있어서 보다 많은 주의를 갖는다면 피할 수 있을 것이다.
인산형 연료전지의 구조 및 전극재료의 특성은 다음과 같다.
① 플러스극(수소극)은 전해질과 인접해 있는 부분에 백금이나 백금합금 촉매로 처리되어 있는 다공성 흑연판으로 구성되어 있다. 실제 사용되고 있는 플러스극은 단위면적당 매우 작은 양의 귀금속이 담지되어 있다. 현재 기술 수준은 0.25mg/cm2의 담지량이다. 촉매는 고분산된 카본블랙상에 30~80 정도의 백금 또는 백금 합금을 여러 가지 방법(함침법, 콜로이드 방법 등)으로 담지하여 사용한다. 전극은 일반적으로 테프론 현탁액 또는 분말을 결합제로 이용하여 0.1~0.2mm 두께의 다공성 sheet(다공도60~80%)를 제작하여 사용한다. 산소극의 전극제작도 이와 마찬가지다.
② 마이너스극(산소극)은 수소극과 비슷하나 modified 된 귀금속 촉매가 많이 사용되고 있으며 촉매 담지량은 수소극보다 많아 보통 0.5mg/cm2 정도 사용되고 있다. 그 원인은 산소의 환원반응을 증가시키기 위함이다. 마이너스극 또한 전해질의 충만(flooding)을 방지하고 산소의 활성점까지 원만한 확산을 위하여 teflon함량을 증가시켜 발수성이 큰 다공성 전극으로 만들어 사용하고 있다.
③ 전해질 matrix(electrolyte matrix)는 농축된 인산을 함유한다. 현재 사용되고 있는 matrix는 실리콘 카바이드(SiC) 분말 또는 휘스카(whisker)와 테프론 결합제로 제작되어지며 두께가 0.1~0.3mm 정도이다. 전해질 matrix는 최대한의 이온 전도도를 갖고 있어야 하며 수소(연료)와 산소의 가스흐름에 대한 “crossover\"를 방지하여 주어야 한다. 따라서 matrix는 매우 작은 기공(pore)이나 capillary를 갖고 있어, 전해질로 충만 되었을 경우 수소(연료)와 산소의 압력차가 6X103Pa 정도 발생하여도 가스의 관통 없이 견딜 수 있어야 한다.
3.3 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)
탄산리튬, 탄산칼륨 등의 알칼리 탄산염을 전해질로 하고 650~700 정도의 고온에서 작동되는 연료전지를 용융탄산염형 연료전지라 한다. 마이너스극에서는 수소가스를 함유한 연료가스를 넣고 플러스극에는 공기와 이산화탄소가 혼합된 가스를 공급한다. 전해질은 일반적으로 탄산리튬과 탄산칼륨 혼합알칼리 탄산염을 사용한다. 알칼리탄산염은 상온에서 백색의 고체이지만 작동온도에서는 무색투명한 용융염 전해질이 된다. 두 전극은 모두 전자 전도성을 갖고 있는 다공질 전극이며 인산형에서와 같이 3상 계면에서 전지화학 반응이 진행된다. 플러스극에는 수소가스가 전해질 속의 탄산이온과 반응하여 이산화탄소와 물이 되어 전자를 방출한다. 마이너스극에서는 이산화탄소, 공기 중의 산소 및 전자가 탄산이온을 형성한다. 전체적으로는 연료가스 중의 수소와 공기 중의 산소로부터 물이 생성하는 반응이다.
플러스극 : O2 + CO2 + 2e- → CO32-
전체 : H2+O2 → H2O
이 연료전지는 650˚C 이상의 고온에서 작동하기 때문에 인산형이나 알칼리형과 다른 장점을 갖고 잇다.
① 귀금속 촉매 불필요 : 작동온도가 높고 전기화학 반응속도가 크기 때문에 백금 등의 귀금속 촉매가 불필요하다.
② 발전효율이 높다 : 전기화학 반응속도가 커서 큰 전류밀도가 높은 전지전압에서 얻어진다. 그래서 높은 전지전압에서 발전이 계속되기 때문에 고효율이 얻어진다.
③ 폐열이용가치가 크다 : 고온작동이기 때문에 폐열의 온도가 높아 이용하기가 쉽다. 증기터빈을 구동시켜 종합 발전효율을 크게 하던가 또는 열을 이용한 종합 열효율을 크게 하는 것이 용이하다.
④ 여러 가지 연료 사용이 가능 : 천연가스 중에는 약간의 미연의 연료와 일산화탄소가 혼입되어 있어도 악영향이 없으며 천연가스에서 석탄가스까지 광범위한 연료를 사용할 수 있다. 그러나 고온에서 작동하기 때문에 650의 산소 분위기에서 부식하지 않는 값싼 전자전도성 내식재료가 필요하다. 또한 고온에서 전해질과 연료가스를 외부로 누설시키지 않는 고도의 Sealing 기술이 요구된다.
용융탄산염 연료전지의 구성요소별에 따라 각각의 재료는 다음과 같다.
① 전해질 : 알칼리탄산염은 두 가지 이상 혼합하면 융점이 낮아진다. 낮은 융점면에서는 탄산리튬-탄산나트륨-탄산칼륨계가 이용되지만 부식성 등을 고려할 때는 탄산리튬-탄산칼륨계가 이용되고 있다. 이들 전해질은 그대로 작용하면 각각 전극으로 침투되어 외부로 흘러나가 소실된다. 작동온도에서 전해질판으로서의 형태를 유지하기 위해 페스트시과 메트릭스식이 이용된다.
페스트식은 알루민산 리튬 등의 미분말을

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