연료전지 기술의 원리 소개

연료전지는 연료의 화학적 에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 발전장치이다. 연료전지의 원리는 전기화학소자로 구성은 일반 배터리와 동일하다. 단일 셀은 두 개의 양극과 음극(음극은 연료 전극이고 양극은 산화제 전극)과 전해질로 구성됩니다. 차이점은 일반 배터리의 활물질이 배터리 내부에 저장되어 있어 배터리 용량이 제한된다는 점입니다. 연료전지의 양극과 음극은 그 자체로 활성물질을 함유하고 있지 않고 단지 촉매변환소자일 뿐입니다. 따라서 연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 진정한 에너지 변환 기계입니다. 배터리가 작동하면 외부에서 연료와 산화제가 공급되어 반응합니다. 원리적으로는 반응물이 계속 투입되고 반응생성물이 계속해서 배출되는 한 연료전지는 지속적으로 전기를 생산할 수 있다. 여기서는 수소-산소 연료전지 반응 원리를 설명하기 위해 수소-산소 연료전지를 예로 들겠습니다. 이 반응은 물을 전기분해하는 역과정입니다. 전극은 다음과 같아야 합니다. 음극: H2 +2OH-→2H2O +2e- 양극: 1/2O2+H2O+2e-→2OH- 배터리 반응: H2+1/2O2==H2O 또한 연료 전지 본체만 작동할 수 없으면 시약 공급 시스템, 열 제거 시스템, 배수 시스템, 전기 성능 제어 시스템 및 안전 장치를 포함한 일련의 해당 보조 시스템이 있어야 합니다. 연료전지는 일반적으로 이온전도체를 형성하는 전해질판과 그 양면에 배열된 연료극(양극)과 공기극(음극), 그리고 양면에 기체유로의 역할로 구성된다. 연료가스와 공기(산화제 가스)가 유로를 통과할 수 있도록 하는 것입니다. 실제 연료전지에서는 작동하는 전해질에 따라 전해질을 통과하며 반응에 관여하는 이온의 종류도 다르다. PAFC 및 PEMFC의 반응은 수소 이온(H+)과 관련됩니다. 발생하는 반응은 다음과 같습니다. 연료 전극: H2==2H++2e-(1) 공기 전극: 2H++1/2O2+2e-==H2O (2) 종합 : H2+1/2O2==H2O (3) 수소-산소 연료전지 조성 및 반응주기도 연료극에서는 공급된 연료가스 중의 H2가 H+와 e-로 분해되고, H+는 연료극으로 이동한다. 전해질과 공기극 측 공급된 O2가 반응합니다. e-는 외부 부하 회로를 통과한 후 공기극 측으로 돌아와 공기극 측의 반력에 참여합니다. 일련의 반응은 외부 회로를 통한 e-의 중단없는 흐름에 기여하여 전기 생성을 구성합니다. 그리고 위 식의 반응식(3)을 보면 H2와 O2로부터 생성된 H2O는 H2의 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 것 외에는 다른 반응이 없음을 알 수 있다. 그러나 실제로는 전극의 반응에 수반되는 특정 저항이 있으며, 이로 인해 약간의 열 에너지가 발생하여 전기 에너지로 변환되는 비율이 감소합니다. 이러한 반응을 일으키는 셀 그룹을 모듈이라고 하며, 생성되는 전압은 일반적으로 1V 미만입니다. 따라서 큰 출력을 얻기 위해서는 부품을 다층으로 적층하여 고전압 스택을 얻을 필요가 있다. 부품 간의 전기적 연결과 연료가스와 공기의 분리는 분리기라는 부품으로 이루어지며, PAFC와 PEMFC의 분리기는 모두 탄소 소재로 제작됩니다. 스택의 출력은 총 전압과 전류의 곱에 의해 결정되며, 이는 셀의 반응 면적에 비례합니다. PAFC의 전해질은 농축된 인산 수용액인 반면, PEMFC의 전해질은 양성자 전도성 고분자 기반 멤브레인입니다. 전극은 모두 탄소 다공체로 만들어져 반응을 촉진하기 위해 연료 가스의 CO가 중독을 유발하고 전극 성능을 저하시킵니다. 이러한 이유로 연료 가스에 포함된 CO의 양은 PAFC 및 PEMFC 응용 분야, 특히 저온에서 작동하는 PEMFC의 경우 제한되어야 합니다. 인산형 연료전지의 기본 구성 및 반응 원리는 연료가스나 도시가스에 수증기를 첨가한 후 개질기로 보내 연료를 H2, CO, 수증기 및 수증기의 혼합물로 변환하는 것입니다. 촉매는 H2와 CO2로 변환됩니다. 이렇게 처리된 연료가스는 연료파일의 음극(연료극)으로 들어가고, 동시에 산소가 연료파일의 양극(공기극)으로 수송되어 화학반응을 하게 되어 전기에너지와 열에너지가 촉매의 도움으로 빠르게 생성됩니다. 고온 연료전지 MCFC, SOFC는 PAFC, PEMFC에 비해 촉매가 필요하지 않으며, CO를 주성분으로 하는 석탄가스화 가스를 직접 연료로 사용할 수 있고, 고품질로 사용하기 쉬운 특징이 있습니다. 복합 사이클 발전을 형성하는 배기 가스. MCFC의 주요 구성 요소.

전극반응에 관련된 전해질(보통 Li와 K가 혼합된 탄산염)과 이에 연결된 2개의 전극판(연료극과 공기극), 그리고 각 전극 외부에 연료가스 및 산화제 가스를 순환시키는 가스가 들어있습니다. 두 전극. 챔버, 전극 클램프 등에서 전해질은 MCFC의 작동 온도 약 600~700°C에서 용융된 액체로 이온 전도체를 형성합니다. 전극은 니켈계 다공체이고, 가스실은 내식성 금속으로 구성된다. MCFC 작동 원리. 공기극의 O2(공기)와 CO2는 전기와 결합하여 CO32-(탄산염 이온)을 생성합니다. 전해질은 CO32-를 연료극 쪽으로 이동시키고, 연료로 공급된 H+와 결합하여 e-를 방출하며, 에서 H2O와 CO2를 생성합니다. 동시에. 화학반응식은 다음과 같습니다. 연료극: H2+CO32-==H2O+CO2+2e-(4) 공기극: CO2+1/2O2+2e-==CO32-(5) 전체: H2+1/ 2O2== H2O (6) 이 반응에서 e-는 PAFC와 동일하며 연료극에서 방출되어 외부 회로를 통해 공기극으로 되돌아갑니다. 외부 회로. 연료 전지는 전기를 생성합니다. 또한, MCFC의 가장 큰 특징은 반응에 기여하는 CO32- 이온이 있어야 하기 때문에 공급되는 산화제 가스에는 탄산 가스가 포함되어 있어야 한다는 점이다. 또한, 전지 내부에 촉매를 충전하여 천연가스의 주성분인 CH4를 전지 내부에서 변형시키고, H2를 전지 내부에서 직접 생성하는 방법도 개발됐다. 연료가 석탄가스인 경우, 주성분인 CO는 H2O와 반응하여 H2를 생성하므로 CO를 연료로 동등하게 사용할 수 있습니다. 더 큰 출력을 얻기 위해 파티션은 일반적으로 Ni과 스테인레스 스틸로 만들어집니다. SOFC는 주로 세라믹 소재로 구성되며, 전해질은 주로 O2-의 전도체 Y2O3(산화 이트륨)을 구성하는 ZrO2(지르코니아)를 사용하며 안정화된 YSZ(안정화된 지르코니아)로 사용된다. 전극은 연료극을 Ni과 YSZ 복합 다공체로 구성하여 서멧(cermet)을 형성하고, 공기극을 LaMnO3(란탄망간산화물)으로 구성한다. 세퍼레이터는 LaCrO3(란타늄 크롬 산화물)을 사용합니다. 배터리의 다양한 형태와 전해질 간의 열팽창 차이로 인해 발생하는 균열을 방지하기 위해 더 낮은 온도에서 작동하는 SOFC가 개발되었습니다. 다른 연료전지와 마찬가지로 평판형 배터리 형태에 더해 응력 집중을 피하기 위해 원통형 형태도 개발됐다. SOFC의 반응식은 다음과 같습니다. 연료극: H2+O2-==H2O+2e- (7) 공기극: 1/2O2+2e-==O2- (8) 전체: H2+1/2O2== H2O(9 ) 연료극인 H2는 전해질을 통해 이동하여 O2-와 반응하여 H2O와 e-를 생성합니다. 공기극은 O2와 e-로부터 O2-를 생성합니다. 다른 연료전지와 마찬가지로 H2O는 H2와 O2로부터 생성됩니다. SOFC는 고온 작동형이기 때문에 천연가스의 주성분인 CH4를 다른 촉매의 작용 없이 내부적으로 직접 H2로 변형시켜 활용이 가능하고, 석탄가스의 주성분인 CO를 연료로 직접 사용됩니다.