연료 전지 스택 설계 - 실험 도서관

1. 연료 전지 스택의 기초

연료 전지 스택은 다수의 개별 연료 전지 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 출력 전압과 전류를 원하는 수준으로 조정하는 구조이다. 각각의 셀은 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기 에너지를 생성하며, 이 과정에서 물과 열이 부산물로 발생한다.

1.1 연료 전지 스택의 전압과 전류

연료 전지의 기본적인 전압은 단일 셀의 전압과 셀의 개수에 따라 결정된다. 한 셀에서 발생하는 전압은 전기화학 반응으로 발생하는 전위차로 설명할 수 있으며, 이는 수소와 산소의 반응식으로 표현된다.

$\text{H}_2 + \frac{1}{2} \text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$

이 반응에서 단일 연료 전지 셀이 발생하는 이상적인 전압은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

$E_0 = \frac{\Delta G^\circ}{n F}$

여기서:

$E_0$ 는 셀의 이상적인 전압,
$\Delta G^\circ$ 는 깁스 자유 에너지 변화,
$n$ 은 전자가 이동하는 몰 수,
$F$ 는 패러데이 상수이다.

1.2 스택의 출력 전압과 전류 계산

스택에서 실제로 발생하는 출력 전압은 셀 내부의 전기화학 반응, 저항, 손실 등에 의해 이상 전압보다 낮아진다. 각 셀의 전압은 내부 저항, 농도 손실, 활성화 손실 등을 고려해야 한다. 이를 통해 스택의 전체 전압을 다음과 같이 모델링할 수 있다.

$V_{\text{stack}} = N_{\text{cells}} \cdot \left( E_0 - \eta_{\text{act}} - \eta_{\text{ohm}} - \eta_{\text{conc}} \right)$

여기서:

$V_{\text{stack}}$ 는 스택의 출력 전압,
$N_{\text{cells}}$ 는 셀의 개수,
$\eta_{\text{act}}$ 는 활성화 손실,
$\eta_{\text{ohm}}$ 는 저항 손실,
$\eta_{\text{conc}}$ 는 농도 손실이다.

1.3 연료 전지 스택의 전류 밀도

전류 밀도 $i$ 는 연료 전지 스택의 중요한 설계 변수 중 하나이다. 전류 밀도는 스택이 일정 면적 당 생성할 수 있는 전류를 나타내며, 이를 통해 전력 밀도를 계산할 수 있다.

$i = \frac{I}{A}$

여기서:

$i$ 는 전류 밀도 (A/cm $^2$ ),
$I$ 는 전체 전류 (A),
$A$ 는 활성 면적 (cm $^2$ )이다.

스택의 전력은 다음과 같이 계산된다.

$P = V_{\text{stack}} \cdot I$

전력 밀도는 다음과 같다.

$P_{\text{density}} = V_{\text{stack}} \cdot i$

1.4 연료 전지 스택의 효율

연료 전지의 전기적 효율은 연료에서 발생한 화학 에너지가 전기 에너지로 변환되는 비율로 정의된다. 이는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

$\eta_{\text{fc}} = \frac{V_{\text{stack}}}{E_0}$

여기서 $\eta_{\text{fc}}$ 는 연료 전지의 전기적 효율을 나타낸다. 이 식에서 알 수 있듯이, 실제 스택의 전압이 이상적인 전압에 가까울수록 효율은 높아진다.

2. 연료 전지 스택의 구성 요소

2.1 가스 공급 장치

연료 전지 스택의 성능을 극대화하려면, 연료와 산화제가 적절히 공급되어야 한다. 이를 위해 다음과 같은 가스 공급 장치가 필요하다:

수소 공급 시스템: 고압 수소 탱크 또는 다른 수소 공급원에서 수소를 스택으로 전달.
산소 공급 시스템: 산소는 공기 중에서 직접 취하거나 고농도의 산소를 별도로 공급하는 방식.

2.2 가스 분리막

연료 전지 셀의 핵심 요소인 가스 분리막은 수소와 산소의 혼합을 방지하고, 양극과 음극 사이의 이온 이동을 촉진하는 역할을 한다. 가스 분리막의 효율성은 연료 전지 스택의 전체 성능에 큰 영향을 미친다.

2.3 전기화학적 촉매층

연료 전지 스택의 각 셀은 연료(수소)와 산화제(산소)의 화학 반응을 통해 전자를 생성한다. 이 반응을 촉진하기 위해, 전기화학적 촉매가 사용된다. 촉매는 주로 백금(Pt)이나 팔라듐(Pd)과 같은 귀금속으로 구성되며, 반응 속도를 높이는 역할을 한다.

촉매층 설계 고려사항:

촉매 사용량 최적화: 촉매는 비용이 많이 드는 재료이므로, 최소한의 양으로 최대한의 반응 효율을 얻는 것이 중요하다.
촉매 분산도: 촉매가 고르게 분산되지 않으면 반응 효율이 저하되므로, 균일한 분포를 보장해야 한다.
촉매 내구성: 장기간 사용 시 촉매의 열화 및 오염이 발생할 수 있으므로, 이를 최소화하는 재료 선택과 설계가 요구된다.

2.4 전해질 막

전해질 막은 양극에서 음극으로 이온을 이동시키며, 이 과정에서 전류가 생성된다. 연료 전지 스택의 전해질로는 주로 고체 고분자 전해질(PEM, Proton Exchange Membrane)이 사용된다. PEM의 주요 역할은 양성자( $\text{H}^+$ )를 선택적으로 투과시키고, 전자를 차단하는 것이다.

전해질 막의 성능에 따라 연료 전지의 전류 밀도와 효율이 결정된다. 전해질 막 설계 시 고려할 사항은 다음과 같다.

전해질 막 설계 고려사항:

이온 전도도: 전해질 막의 이온 전도도가 높을수록 전류 밀도가 증가한다. 이를 위해 PEM의 수분 함량을 적절히 유지해야 한다.
막의 두께: 얇은 막은 이온 전도도를 향상시키지만, 물리적 강도가 약해질 수 있으므로 두께의 균형을 맞추는 것이 중요하다.
내구성: 전해질 막은 고온, 고습의 가혹한 환경에서 장기간 사용할 수 있어야 하므로, 내열성 및 내화학성이 요구된다.

2.5 분리판

분리판은 연료 전지 스택에서 각 셀을 분리하고, 연료와 산화제를 적절히 공급하며, 동시에 전자를 수집하는 중요한 역할을 한다. 분리판의 설계는 전기적, 화학적 안정성뿐만 아니라 기계적 강도도 고려해야 한다.

분리판 설계 고려사항:

전기 전도도: 분리판은 전류를 효과적으로 전달해야 하므로, 높은 전기 전도성을 가진 재료가 필요하다. 일반적으로 흑연이나 금속이 사용된다.
내화학성: 분리판은 연료 전지 내부의 화학적 환경에 노출되므로, 산화 및 부식에 대한 저항성이 필요하다.
기체 확산: 분리판은 연료와 산화제가 반응할 수 있도록 기체의 유동 경로를 제공해야 한다. 이때 기체의 균일한 분포가 중요하다.

분리판의 구조

분리판의 표면에는 기체 채널이 설계되어 있다. 이 채널을 통해 수소와 산소가 반응하는 영역으로 균일하게 공급된다. 기체 채널의 설계는 스택의 성능에 중요한 영향을 미치며, 최적화된 채널 설계가 필요하다.

3. 열 관리 시스템

연료 전지 스택의 효율적인 운용을 위해서는 적절한 열 관리가 필요하다. 연료 전지 스택에서 발생하는 열은 스택의 성능을 저하시킬 수 있으므로, 이를 효과적으로 제거하는 시스템이 필요하다.

3.1 열 교환 시스템

열 교환기는 스택 내부의 과도한 열을 제거하고, 작동 온도를 일정하게 유지하는 역할을 한다. 연료 전지 스택의 온도는 화학 반응 속도와 효율에 큰 영향을 미치므로, 열 관리는 매우 중요한 요소이다.

3.2 냉각재 선택

냉각재는 열 교환 시스템의 성능을 좌우하는 중요한 요소이다. 일반적으로 물이나 글리콜이 냉각재로 사용되며, 냉각재의 순환 속도와 양을 최적화해야 한다.

3.3 냉각 채널 설계

연료 전지 스택의 각 셀 사이에 냉각 채널을 설계하여, 스택의 열을 효과적으로 제거해야 한다. 냉각 채널은 스택의 전기적 절연을 유지하면서도 열을 고르게 분산시켜야 하므로, 다음 사항들을 고려해야 한다.

냉각 채널 설계 고려사항:

채널의 배치: 냉각 채널의 배치는 스택 내의 온도 균형을 맞추기 위한 중요한 요소이다. 균일한 열 분산을 위해 채널의 간격과 크기를 최적화해야 한다.
유체 역학: 냉각수 또는 냉각제가 채널 내에서 효율적으로 흐를 수 있도록 유체 역학적 설계가 필요하다. 이는 열 교환 효율을 극대화하고, 스택의 과열을 방지할 수 있다.

4. 물 관리 시스템

연료 전지 스택은 물을 부산물로 생성하며, 스택 내부의 습도 조절이 매우 중요하다. 특히 PEM(고분자 전해질 막)을 사용하는 연료 전지에서는 적정한 수분 함량이 막의 성능에 큰 영향을 미친다. 물 관리 시스템은 연료 전지의 성능을 유지하고, 스택의 열화를 방지하는 역할을 한다.

4.1 가습 시스템

수소와 산소가 연료 전지 스택 내부로 유입될 때, 가습을 통해 적절한 수분을 공급해야 한다. 전해질 막의 수분 함량이 부족할 경우 이온 전도도가 낮아져 전류 밀도가 떨어지게 된다. 반면, 과도한 수분 공급은 막의 물리적 변형과 성능 저하를 초래할 수 있다.

4.2 물 배출 시스템

연료 전지 스택에서 발생하는 물을 적절히 제거하는 것도 중요한 과제이다. 스택 내부에 물이 과도하게 축적되면 반응 면적이 감소하여 스택의 성능이 저하될 수 있다. 물 배출 시스템은 스택 내부의 물을 빠르게 배출하고, 셀 내부의 적절한 습도를 유지할 수 있도록 설계되어야 한다.

5. 연료 전지 스택의 기계적 설계

연료 전지 스택은 다수의 셀로 구성되며, 각 셀은 적절한 압력으로 결합되어 있어야 한다. 스택을 기계적으로 설계할 때는 셀 간의 전기적 연결, 압력 분포, 냉각 경로 등을 고려해야 한다.

5.1 스택 압력 조정

연료 전지 스택의 셀 간 결합은 일정한 압력을 유지해야 하며, 이 압력은 셀 내부의 반응과 전도 효율에 영향을 미친다. 적절한 압력을 유지하지 못하면 셀의 전기적 접촉 저항이 증가하고, 스택의 성능이 저하될 수 있다.

5.2 스택 기계적 결합

스택을 안정적으로 결합하기 위해, 다양한 재료와 결합 방식을 사용할 수 있다. 기계적 결합은 전기적 절연과 열 분산을 함께 고려해야 하므로, 재료의 선택과 결합 방법이 매우 중요하다.

6. 전기적 연결 설계

연료 전지 스택에서 발생하는 전기를 외부 회로로 효과적으로 전달하기 위해, 전기적 연결 설계가 필요하다. 스택의 셀 간 전기적 연결과 외부 회로로의 연결은 전기 저항을 최소화하는 방향으로 설계해야 한다.

6.1 셀 간의 직렬 연결

연료 전지 스택은 셀을 직렬로 연결하여 원하는 출력 전압을 생성한다. 이때, 각 셀 간의 전기적 접촉이 중요한데, 접촉 저항을 줄이기 위해 적절한 도전성 재료와 압력 분포가 필요하다.

6.2 외부 회로와의 연결

스택의 출력 전력을 외부 회로로 전달하기 위해, 전류 수집 시스템이 필요하다. 이 시스템은 스택에서 발생하는 전류를 효과적으로 수집하고, 외부로 안정적으로 전달해야 한다. 전류 수집 시스템은 도전성 재료를 사용하여 전기적 손실을 최소화할 수 있도록 설계해야 한다.