수소연료전지는 청정 에너지의 한 형태로, 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 생성합니다.
이러한 기술은 환경 친화적인 전력 공급원으로 주목받고 있으며, 특히 자동차, 건물, 전력망 등에 활용되고 있습니다.
이번 블로그에서는 인산형연료전지의 셀 구조와 스택 구성을 자세히 살펴보겠습니다.
수소연료전지 셀 구조
수소연료전지 셀은 기본적으로 세 개의 주요 구성 요소로 이루어져 있습니다: 연료극(음극), 전해질, 산화극(양극, 공기극).
1. 연료극 (음극) : 수소가 공급되는 부분입니다. 연료극에서 수소 분자가 촉매의 도움을 받아 양성자(H+)와 전자(e-)로 분해됩니다.
- 반응 : H2 → 2H±+2e
2. 전해질 : 양성자만 통과시키는 물질로, 연료극과 산화극 사이에 위치합니다. 전해질은 일반적으로 고분자 전해질 막(PEM) 또는 고체 산화물 전해질(SOFC)로 구성됩니다.
- 역할 : 양성자(H+)는 전해질을 통해 산화극으로 이동합니다.
3. 산화극 (양극, 공기극) : 산소가 공급되는 부분입니다. 여기서 양성자와 전자가 산소와 결합하여 물을 생성합니다.
- 반응 : 1/2O2 + 2H±+2e → H¡O
4. 전체반응 : H2 + 1/2O2 → H2O+전기
이렇게 연료극에서 생성된 전자는 외부 회로를 통해 산화극으로 이동하며 전류를 생성합니다. 이 과정에서 전기가 발생하게 됩니다.
수소연료전지 스택(stack) 구성
하나의 연료전지 셀로 생성할 수 있는 전력은 매우 작습니다. 따라서 여러 개의 셀을 직렬로 연결하여 전압과 출력을 증가시키는 방식으로 스택(stack)을 구성합니다. 스택 구성의 주요 요소는 다음과 같습니다:
1. 개별 셀 : 각 셀은 연료극, 전해질, 산화극으로 구성됩니다. 셀의 크기와 수에 따라 스택의 출력이 결정됩니다.
2. 바이폴라 플레이트 : 셀 사이에 위치하여 수소와 산소의 분배 및 전기적 연결을 담당합니다. 바이폴라 플레이트는 통상적으로 전도성이 높은 재료로 만들어지며, 내부에는 기체 채널이 있습니다.
3. 가스 분배 시스템 : 수소와 산소를 각 셀에 고르게 분배하는 시스템입니다. 연료와 산화제를 효율적으로 공급하고, 반응 후의 물과 잔여 가스를 제거합니다.
4. 냉각 시스템 : 스택의 열을 효율적으로 관리하기 위해 필요한 시스템입니다. 연료전지 작동 시 발생하는 열을 제거하여 셀의 효율을 유지하고 과열을 방지합니다.
5. 전기적 연결 : 각 셀을 직렬로 연결하여 전압을 증폭시키는 배선 구조입니다. 셀 간 전기적 연결의 효율성을 높이기 위해 접촉 저항을 최소화하는 설계가 필요합니다.
6. 밀봉 및 구조체 : 스택을 외부 환경으로부터 보호하고 내부 압력을 유지하기 위한 구조체와 밀봉 시스템입니다. 이는 스택의 안정성과 내구성을 보장합니다.
수소연료전지는 청정 에너지원으로서 다양한 응용 분야에서 그 가능성을 인정받고 있습니다. 셀 구조와 스택 구성은 이러한 연료전지의 성능과 효율을 결정짓는 중요한 요소입니다. 앞으로 더 많은 연구와 개발을 통해 수소연료전지의 효율성과 경제성이 개선되어, 지속 가능한 에너지 솔루션으로 자리 잡을 것으로 기대됩니다.
이상으로 수소연료전지의 셀 구조와 스택 구성에 대해 살펴보았습니다. 수소연료전지에 대한 이해가 넓어지길 바라며, 궁금한 점이나 추가적인 질문이 있다면 댓글로 남겨주세요!