연료전지

hohoi·2024년 6월 19일

열공학실험

목록 보기
1/2

열공학실험: [연료전지]

목차

  1. 소개 (Introduction)
  2. 연료전지 (Fuel Cells)
  3. 왜 연료전지인가? - 한국 (Why Fuel Cells? - South Korea)
  4. 왜 연료전지인가? - 미국 (Why Fuel Cells? - in the U.S.)
  5. 연료전지의 개념 (Concept of fuel cell)
  6. 연소와 연료전지 비교 (Combustion vs. Fuel Cell)
  7. 연료전지의 반응 (Reaction of fuel cell)
  8. 깁스 자유 에너지 (Gibbs free energy)
  9. 연료전지의 종류 (Types of fuel cells)
  10. 연료전지 (Fuel Cell)
  11. 수소 연료전지의 에너지 밀도 (Energy density: Hydrogen fuel cell)
  12. 연료전지의 전기화학적 성능 (Electrochemical performance of fuel cell)
  13. 연료전지의 구성 요소 (Fuel cell components)
  14. 흐름판 (이중판) (Flow-field plate (Bipolar plates))
  15. 연료전지 실험 (Fuel Cell Experiment)

세부 내용

소개 (Introduction)

  • 연료전지의 기본 개념과 원리 설명

연료전지 (Fuel Cells)

  • 연료전지(Fuel Cell)는 화학 반응을 통해 전기를 생산하는 장치입니다.
    연료전지의 작동 원리는 다음과 같습니다:
    연료(수소, 메탄 등)와 산화제(산소)가 연료전지 내부로 공급됩니다.
    연료와 산화제 사이에서 화학 반응이 일어나면서 전자가 발생합니다.
    이 전자가 외부 회로를 통해 흐르면서 전기 에너지가 생산됩니다.
    화학 반응의 부산물로 물이 생성됩니다.
    -> 연료전지는 연소 과정 없이 전기를 생산하기 때문에 매우 효율적이고 친환경적입니다. 또한 작동 중 소음이 적고 유지보수가 쉬워 다양한 분야에서 활용되고 있습니다.

왜 연료전지인가? - 한국 (Why Fuel Cells? - South Korea)

  • 환경 규제 강화
    - 한국은 온실가스 감축 목표를 설정하고 있으며, 연료전지는 청정 에너지 기술로 이를 달성하는 데 기여할 수 있음.
    - 미세먼지 등 대기오염 문제 해결을 위해 연료전지 기반 청정 에너지 기술이 필요함.
    에너지 안보 강화:

  • 에너지 안보 강화 :
    -확석연료 의존도가 높은 한국은 에너지 자립도가 낮은 편이므로, 수소 연료전지 기술 개발을 통해 에너지 안보를 강화할 수 있음.

왜 연료전지인가? - 미국 (Why Fuel Cells? - in the U.S.)

  • 미국에서의 연료전지 필요성 및 발전 현황

연료 전지의 개념

  • *연료 전지는 화학 에너지를 직접 전기 및 열 에너지로 변환하는 전기화학적 장치입니다.
  • 직접 에너지 변환 : 화학 -> 전기 + 열
  • 연료 전지는 열 엔진이 아니므로 카르노 효율 제한을 피할 수 있다.
    (열엔진 : 화학 -> 열 -> 기계 -> 전기)

연소 대비 연료 전지

  • *수소 연소 엔진: H2 + 1/2 O2 → H2O
  • *수소 연료전지: H2 + 1/2 O2 → H2O
    (이 두 반응은 동일한 화학 반응입니다. 둘 다 수소와 산소가 반응하여 물을 생성합니다.)

  • *차이점

    1. 에너지 변환 과정:
    • 수소 연소 엔진: 연소 반응으로 발생한 열 에너지를 기계적 에너지로 변환합니다. 연소 반응이 매우 빠르게 일어납니다, 연소는 열을 발생.
    • 수소 연료전지: 전기화학 반응을 통해 전기 에너지를 생산합니다. 반응이 느리게 일어납니다, 열로 전기를 생산.
    1. 열 발생:
    • 수소 연소 엔진: 연소 반응으로 인해 열이 빠르게 발생합니다.
    • 수소 연료전지: 전기 회로를 통해 반응이 느리게 일어나므로 열 발생이 상대적으로 적습니다.

연료 전지 반응

  • *표준 환원 전위(Standard Reduction Potential, E0)는 표준 수소 전극(SHE)을 기준으로 측정된 값입니다.
    • 수소 전극의 전위를 0 V로 정의하고, 다른 전극의 전위를 상대적으로 측정한 값입니다.
    • 양의 값은 환원 반응이 자발적으로 일어나는 것을, 음의 값은 환원 반응이 자발적으로 일어나지 않는 것을 의미합니다.
  • 전체 반응: H2 + 1/2 O2 → H2O
    • 표준 환원 전위: E0_cell = +1.23 V
  • 음극: H2(수소가스) → 2H+(수소이온) + 2e-(전자)
    • 표준 환원 전위: E0 = -0.00 V
  • 양극: 1/2 O2(산소가스) + 2H+(수소이온) + 2e-(전자) → H2O(물)
    • 표준 환원 전위: E0 = +1.23 V

깁스 자유 에너지

  • 연료 전지에서의 화학 반응의 자발성을 결정합니다.
  • ΔG < 0: 반응 자발적 진행 (연료 전지)
  • ΔG = 0: 반응 평형
  • ΔG > 0: 비자발적 진행 (전기분해)

연료 전지 유형

  • *PEMFC (고분자 전해질 막 연료 전지): 이동성 및 발전용, 수소, 50~100도씨
  • *DMFC (직접 메탄올 연료 전지): 소형 전자기기용, 메탄올, 100도씨 미만
  • *PAFC (인산 연료 전지): 발전기, 수소, 130~200도씨
  • *SOFC (고체 산화물 연료 전지): 발전기,수소or천연가스, > 400도씨
  • *AFC (알칼리 연료 전지): 우주선용, 순수 수소, 100~250도씨

연료 전지

  • *Polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC) : 고분자 전해질 막 연료 전지 구조

에너지 밀도: 수소 연료 전지

  • 수소(H2)는 3가지 형태로 표시되어 있습니다: 액체 수소(H2(liq)), 고압 수소(700 바 및 350 바). 이들 수소 형태는 그래프의 오른쪽 아래에 위치하고 있으며 높은 중량 에너지 밀도를 가지지만 부피 에너지 밀도는 상대적으로 낮습니다.

  • 연료 전지는 자동차용 및 이동용으로 나누어 표시되어 있으며, 두 경우 모두 중량 및 부피 출력 밀도가 비교적 높은 위치에 있습니다.

연료 전지의 전기화학적 성능


Vcell = 연료전지의 실제 출력 전압
Ethermo = 열역학적으로 예측된 연료전지의 전압 출력
ηact = 반응 속도 역학으로 인한 활성화 손실
ηohmic = 이온 및 전자 전도로 인한 옴 손실
ηconc = 반응물 부족 또는 홍수로 인한 농도 손실

  • 핵심 목표 : 각 손실 항목을 최소화하여 Vcell을 Ethermo에 가깝게 유지하는 것

연료 전지 구성 요소


  • End plate: 연료전지의 양 끝에 위치하며, 전체 구조를 지지하고, 전기적 연결을 제공합니다.
    Current collector: 전류 수집판은 전기를 수집하고 외부 회로로 전달하는 역할을 합니다.
    Bipolar plate: 양극판은 두 개의 전극 사이를 분리하며, 전극에 전기를 공급하고 반응 생성물을 수집합니다.
    Gasket: 가스켓은 각 층 사이를 밀봉하여 가스가 새지 않도록 합니다.
    Gas diffusion layer (GDL): 가스 확산 층은 반응물이 전극으로 고르게 분포될 수 있도록 하며, 물과 열의 관리도 돕습니다. 양극 측과 음극 측 양쪽에 있습니다.
    Catalyst-coated membrane (CCM): 촉매가 코팅된 막은 전기화학 반응이 일어나는 핵심 부분으로, 수소와 산소의 반응을 촉진하여 전기를 생성합니다.
    이 구성 요소들은 모두 수소가 연료로 사용되고, 산소(공기)가 촉매 반응을 통해 전기를 생산하는 과정에서 중요한 역할을 합니다. 수소는 양극(Anode)으로 투입되어 전자를 잃고, 이 전자들은 외부 회로를 통해 음극(Cathode)으로 이동하며 전기를 생성합니다. 음극에서는 산소가 이 전자들과 반응하여 물을 생성합니다.

  • *막 전극 조립체(Membrane elecrode assembly, MEA) : 전해질막 + 촉매층 + 가스 확산층(GDL) 구성.

    • 전해질막: 연료와 산화제를 분리하면서 이온을 전달
    • 촉매층: 연료 산화 및 산화제 환원 반응을 촉진
    • *가스 확산층: 반응 가스를 균일하게 공급하고 전자를 수집

  • *가스 확산층(GDL) : 기본공기층(GDBL, 기공큼) + 다공성층(MPL, 기공작음) 구성

  • *양극판(Bipolar Plate) = 유로판(Flow-field plate)

흐름판 (양극판) 제작시 요구되는 것

  1. 높은 전기 전도성
  2. 높은 내부식성
  3. 높은 화학적 적합성
  4. 높은 열전도성
  5. 높은 기밀성
  6. 높은 기계적 강도
  7. 낮은 무게와 부피
  8. 제조의 용이성
  9. 비용 효율성

연료 전지 실험

  1. Parallel
    최저 압력 강하
    촉매 영역 활용 부족
    제조 용이성
  2. Serpentine
    최적화된 성능
    높은 압력 강하
    촉매 영역 활용
  3. Interdigitated
    촉매 영역 활용
    가장 높은 압력 강하
    침수 가능성
profile
hohoi
응애 개발러
다음 포스트

냉동기

0개의 댓글