고분자전해질 연료전지(PEMFC)

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고분자전해질 연료전지(PEMFC)에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

반응식은 다음과같다.
③ SOFC : Solid Oxide Fuel Cell (고체산화물 연료전지)
고체산화물 연료전지는 안정화 지르코니아(YSZ, Yttria stabilized zircornia)를 전해질로 하는 방식의 개발이 추진되고 있다. 지르코니아(ZrO2)는 결정구조가 1,150℃ 정도에서 단사정형에서 정방정형으로 바뀌며 부피가 9%정도 변화한다. 부피 변화를 감소시키기 위하여 칼슘, 이트륨(Yttrium, Y) 등의 산화물을 지르코니아에 고용(solid solution)시키는데 이러한 고용체를 안정화 지르코니아(stabilized zirconia)라 한다.
결정구조는 형석형의 격자를 가지는 입방구조로 변형되며, 넓은 온도범위에서 순수 지르코니아에서와 같은 결정형의 전이는 발생하지 않는다. 순수한 지르코니아는 1000℃에서의 저항률이 10 μΩ㎝인 절연체에 가까운 물질이지만, 2가나 3가의 금속산화물을 고용시키면 지르코니아 중의 4가의 위치에 Ca2+, Y3+등이 치환되어 들어갈 수 있다. 이때 결정 중의 전기적 중성 조건을 유지하기 위하여 산화물 이온(O)이 공격자점을 생성한다는 것이 X선, 중성자 회절 결정의 밀도측정 등에 의하여 밝혀진 바 있다. 이러한 경우 산화물이온 공격자점을 매개로 한 공격자 메카니즘(vacancy mechanism)에 의하여 산화물이온에 의한 전도성이 생기게 된다. 새로운 proragraph로 안정화시키기 위하여 고용시키는 산화물을 안정화제(stabilizer)라 한다.
산화칼슘으로 안정화시킨 지르코니아는 시간 경과에 따라 전도율이 낮아지는 경향이 있어 사용되지 않는다. 가격이 고가인 안정화제도 사용상 제약을 받으므로 현재는 산화이트륨(Y2O3, Yttria)를 안정화제로 하는 고용체 고체 전해질이 연구의 대상이 되고 있다. 이트리아의 첨가량은 약 9 mol%에서 전도율이 극대값을 나타내는 것으로 알려져 있다. ZrO2-Y2O3계의 상도에 의하면, 1000℃의 온도와 약 9 mol% 이하의 이트리아 조성에서는 입방결정과 정방결정의 2상 분리가 일어날 수 있으므로 주의하여야 한다. 이트리아의 양이 증가하면 산화물이온 공격자점이 증가할 것이지만, 그 수가 과도할 경우에는 상호작용으로 인하여 분포가 규칙성을 보유하게 되어 이동에 장애를 받아 전도율이 저하되는 것으로 알려져있다.
④ AFC : Alkarine Fuel Cell (알칼리성 전해액 연료전지)
수산화칼슘(KOH)을 전해액으로 하는 알카리성 전해액 연료전지는 미국에서 우주 개발용과 해양 개발용 및 운수용으로 개발되어 왔고, 아폴로 우주선에 탑재되어 전력생산 및 음용수 제조용으로 그 실용성이 입증되었다.
개질기를 이용하여 생성된 연이온이 발생되는 부반응이 생기게 되어 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다. 개질된 천연 가스를 연료로 사용할 경우에도 이산화탄소의 함량이 높아 성능저하 요인으로 작용할 수 있다. 공기중의 이산화탄소 가스의 농도는 약 0.03 %정도 들어 있으므로, 공기를 연료전지의 산화제로 사용하는 경우에도 이산화탄소 제거 공정을 거친후 연료전지에 주입하여야 한다.
Alkaline
⑤ PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (고분자 전해질형 연료전지)
PEMFC의 기본구조는 고분자 전해질막을 중심으로 양쪽에 다공질의 산화전극과 환원전극이 부착되어 있는 형태로 되어 있으며 개략적인 구조를 Fig. 1에 나타내었다. 산화전극에서는 연료로 사용되는 수소의 전기화학적 산화가 일어나서 전자를 발생하며, 환원전극에서는 산화제인 산소가 전자를 소모하면서 전기화학적인 환원이 일어나게 되어 이로부터 전기에너지가 발생된다.
단위전지를 적층하면 전압을 높일 수 있고, 단위전지의 면적을 크게 하면 전류 생성량을 늘일 수 있으므로, 요구되어지는 성능에 따라 연료전지 시스템을 구성할 수 있다. 반응에서 사용되는 기체는 상압에서부터 5∼6기압까지의 압력 하에 사용되어지며, 온도는 상온에서부터 물의 비등점인 100℃이하의 온도 범위에서 운전되어진다.
고분자 전해질형 연료전지의 주요 요소로는 고체상태의 전해질로 전하를 이동시킬 수 있는 고분자 전해질막과 전자를 생성하는 산화전극 그리고 전자를 소모하는 환원전극이 있다. 계면 반응면적을 극대화하기 위하여 주요 요소를 고온하에서 압착시키며 이로부터 생성된 단위전지의 전기발생 요소를 M&E(Membrane and Electrode) Assembly (MEA) 라고 한다. MEA 는 두께가

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