연료전지실습 | Polymer Electrolyte Fuel Cell의 성능 측정

TIP

 

 

연료전지의 기본 원리와 그중 PEMFC 고분자 전해질 연료전지의 특성에 대해 이해한다.

 

 

 

연료전지

오늘날 세계 에너지 수요의 80%에 달하는 화석연료에는 한정된 양과 심각한 환경오염의 유발이라는 문제점이 있어서 끊임 없이 대에 연료의 필요성이 대두 되고 있다. 석유 화학 회사들의 추산에 의하면 석유와 천연 가스의 생산량은 2015～2020년경 정점에 달한 후에 점점 감소할 것이라고 한다.

 

환경문제 또한 지구온난화, 기후변화, 해수면 상승, 산성비, 오존층 고갈 노천 채탄(採炭)에 의한 삼림과 농지의 파괴등으로 세계적 환경 피해의 총액은 연간 5조 달러 정도로 추산된다. 이러한 화석 연료의 대체를 위해서는 수소에너지, Solar Cell, Biomass, 수력, 풍력 발전등의 친환경적인 에너지들이 연구되고 있다. 특히 대체에너지 중에서 수소에너지는 수소와 산소의 반응에 의한 물과 전기를 생성하는 연료전지가 크게 각광을 받고 있는다.

 

즉, 화학 전지는 화학 변화가 일어날 때의 에너지 변화를 전기 에너지로 바꾸는 장치이다. 일반적으로 화학 전지는 전극을 구성하는 물질과 전해질을 용기 속에 넣어 화학 반응을 시키고 있지만, 이 전지는 외부에서 수소와 산소를 계속 공급해서 계속 전기 에너지를 낸다. 이는 마치 연료와 공기의 혼합물을 엔진 속에 공급하여 연소시키는 것과 유사하다. 이와 같이 연료의 연소와 유사한 화학 전지를 연료 전지라고 한다.

 

일찍이 수소에너지 체제(Hydrogen Energy System)는 1970년대에 제안되었고 지난 세기의 마지막 4분기 중에는 세계적으로 여러 대학과 연구소의 연구개발에 의해 수소에너지 체제의 기반이 확립되었다. 수소는 우수한 에너지 운반체로서 여러 가지의 특성을 가지고 있다. 가장 가볍고, 가장 효율적이며, 가장 깨끗하다. 이밖에도 한 가지 중요한 특성이 있는데 연료전지의 전기화학적 프로세스에 의해 고효율의 전기에너지로 변화할 수 있다는 것이다. 이때의 효율은 화석연료가 내연기관에 의해 기계적에너지로 변환되거나 화력발전소에서 전기에너지로 변환될 때보다 높다. 이 때문에 휴대용, 정치형, 운송용등 전반적인 에너지 분야에서 수많은 연구가 이루어 지고 있다.

 

 

연료전지의 구조 및 발전원리

물을 전기분해하면 전극에서 산소와 수소가 발생하는데 연료전지는 물의 전기분해 역 반응을 이용하는 것으로 수소와 산소의 전기화학 반응을 일으켜 전기와 물을 생산하게 된다. 연료 전지는 전지라고 하지만 실제로는 수소와 산소를 게속 공급하게 되면 계속해서 전기를 생산할 수 있으므로 발전장치라고 하는게 맞는 것 같다. 수소와 산소가 직접 만나게 되면 급격한 반응이 일어나 물과 열이 만들어진다.

 

이러한 급격한 산화반응을 일반적으로 우리의 연소라고 한다. 하지만 연료전지는 수소와 산소를 직접 만나게 하지 않고 이온상태에서 만나게 하여 물과 전기를 만든다. 따라서 연료전지는 화력발전소나 내연기관처럼 연료를 태워서 열에너지 또는 운동에너지로 바꾼후 전기를 생산하는 것이 아니라 연료가 가진 높은 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 친환경 발전장치이다. 연료전지는 수소와 산소가 직접 만나지 못하도록 연료극과 공기극을 만들고 그 사이에 전해질을 두는 구조로 되어있다.

 

연료극에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리되고 수소이온은 전해질층을 통과하여 공기극으로 이동하며 전자는 전해질층을 통과하지 못하고 연료극에 남게 된다. 전해물질을 통과한 수소이온은 공기극에서 산소이온과 만나 반응하여 물이 만들어지며 이반응에는 전자가 필요하게 된다. 정리하면 연료극에는 전자가 남고 공기극에는 전자가 필요하고 여기에 외부 전기회로를 연결하게 되면 전기도선을 통하여 전자가 양극으로 이동하게 되는데 이것이 바로 전류이며 연료전지의 발전원리이다.

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 미리 MEA와 채결되어 있는 연료전지를 스테이션과 결합한다.

2) 전지와 튜브의 연결 부분을 확인하고 스테이션의 전원을 on한다.

3) 스테이션에 전원이 공급되는지 확인 후 수소, 공기 봄베의 튜브를 스테이션과 연결하고 봄베의 레귤레이 터에 장착되어있는 벨브를 open한다.

4) 가습기의 물을 확인하고, Anode, Cathode, Cell의 온도를 45°C로 설정하여 가열을 시작한다.

5) Cell의 온도가 45°C에 도달하면 MFC를 200전류밀도에 해당하는 유량으로 흘려준다.

6) 각 온도계들을 65°C로 설정한 후 Electric Load를 Power on하고 컴퓨터의 CC 모드를 시작하고 100mA/㎠의 전류밀도를 Load한다.

 

 

 

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