[화공생명] 화학전지 & 연료전지

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2008.11.22 / 2019.12.24
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하고 싶은 말: 실생활에 사용하는 화학 전지의 원리와 구조, 종류와 특성을 이해한다. 그리고 화학전지의 용도와 전지구성 물질을 이해한다. 이를 위해 간단한 화학전지를 만들어 전류가 흐르게 되는 원리에 대하여 관찰하고자 한다.

목차: ※ 화학전지

1. 실험목적
2. 서론
2_1. 전지
2_1_1. 전지의 구조
2_1_2. 전극전위
2_1_3. 표준 전극 전위
2_1_4. 실제 전압에 걸리는 부하
2_2. 볼타전지
2_3 과일전지
3. 실험장치
4. 실험 방법
5. 실험결과 및 토의

※ 연료전지

1. 실험목적
2. 이론
2_1. 연료전지
2_2. 연료전지의 기본개념
2_3. 연료전지의 종류 및 특성
2_4. 고분자 전해질형 연료전지
2_5. 연료전지의 장점
3. 공정
3_1. Fuel cell station
3_2. Nafion (MEA)
4. 실험 방법
5. 실험결과 및 토의

본문내용: 고분자 전해질형 연료전지

고분자전해질형 연료전지의 전해질은 액체가 아닌 고체 고분자 중합체(Membrane)로써 다른 연료전지와 구별된다. 인산형 및 알칼리형 연료전지 시스템과 비슷하게 멤브레인을 이용하는 연료전지는 촉매로써 백금을 사용한다. 멤브레인 연료전지의 개발 목표는 최소 1.5g/kW의 백금 촉매를 쓰는 것이다. 이 백금 촉매는 일산화탄소에 의한 부식에 민감하므로 일산화탄소의 농도는 1000ppm 이하로 유지하여야만 한다.
고분자전해질형 연료전지 시스템의 소형화는 자동차 응용에 가장 중요한 역할을 한다. 개발 사업은 인산형 연료전지보다 약 10년이 뒤져 있지만, 인산형에 비해 저온에서 동작되며, 출력 밀도가 크므로 소형화가 가능하며, 기술이 인산형과 유사하여 응용 기술의 적용이 쉽기 때문에 현재는 고분자전해질형 연료전지의 이용 규모가 적을지라도 상업화할 수 있다. 더욱이 현재 몇 개의 시범용 고분자전해질형 연료전지의 전원에 의한 자동차는 실험 결과 우수성이 입증되어 더 많은 연구 계획을 진행 중에 있다.

2_5. 연료전지의 장점

① 저공해 고효율 에너지원이다.

연료전지는 도심지에서의 대기 공해를 환상적으로 줄일 수 있다. 연료전지는 동력원의 시스템 효율이 50% 이상이고(기존 내연기관의 효율은 25% 이하이다), NOx, SOx 등의 유해 가스의 배출이 1% 이하인 청정 고효율 발전 시스템이다.

② 차세대 에너지원이다.

70년대의 오일쇼크 이래로 선진 각국에서 꾸준히 대체에너지원의 개발에 노력을 경주하여 왔는데, 연료전지는 석유에너지 이외에 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 대체에너지를 이용하여 발전할 수 있다. 따라서 절대적인 자원이 부족한 우리나라의 현실에서 볼 때, 연료전지는 차세대 동력원으로 주목받을 것이다.

③ 새로운 시장 잠재력이 크다.

연료전지는 금속, 전기, 전자, 기계 및 제어 산업과 부수적인 장치를 공급하는 새로운 시장이 창조될 수 있다. 이것은 역시 수십만의 전문직 직업을 창조해 낼 수 있으며, 무역 수지에 엉청난 기여를 할 것이다.

3. 공정

3_1. Fuel cell station

① Hydrogen tank(Anode)

단위 mol의 수소가 전체반응에서 볼 때 ΔHf(KJ/mol)(change in heat of formation)의 에너지 변화가 일어나며, 이 변화량 중 외부로 전달되는 일로 변환될 수 있는 에너지는
ΔGf(KJ/mol)(change in Gibb`s free energy of formation로 주어진다. 바로 이것이 수소 산화반응에서 전기에너지로 변환될 수 있는(가역 상태에서 얻어질 수 있는) 최대 에너지이다. 1mol의 수소가 반응을 하면 2Nav의 전자가 발생하므로 -2F(Coulombs)의 전기량이 이동한다. F는 Faraday 상수(96500C/mol)이다.
단위 시간당 수소 소모량은 Si/2F(mol/sec)이 된다. 수소의 공급량이 소모량보다 많아야 하므로 수소이용률(소모량/공급량)이 최대이용률보다 작아야 한다(󰀃0.85). 그러면 물질수지식은 다음과 같다.

② Oxygen tank(Cathode)

단위 mol의 수소가 반응한 후, MEA를 통과한 수소 이온과 만나 product인 H2O를 형성한다.

③ Cell

수소 연료를 anode에, 산소 연료를 cathode에 흘려 보내준다. 이 때, anode에서 촉매는 수소와 반응하여 수소 분자와 전자로 분리시킨다. 수소 분자만이 membrane을 지나 cathode로 이동하고, 전자는 외부의 circuit을 따라 electrical current를 형성하며, cathode로 이동한다. Cathode에서는 전자와 양성의 수소이온이 산소이온과 결합하여 물을 형성한다.
Cell 전압을 E(Volts)라 하면 -2FE(J/mol)을 외부에 행하는 것이 되며 바로 이 전지에너지가 Δ = -2 ⇒
Gibb`s energy의 변화량은 다음과 같이 표현된다.

따라서 연료전지 cell의 기전력은 아래의 Nernst 식으로 표현된다.

Gibb`s free energy는 어떤 계의 엔탈피, 엔트로피, 및 온도를 이용하여 정의하는 열역학적 함수이다. 이 값을 이용하면 일정한 온도와 압력이 유지된 상태에서의 화학반응의 평형조건을 알 수 있다. 또, 정반응과 역반응 중 어느 것이 더 자발적인지도 계산할 수 있다.

A, B, C를 포함하는 화학반응에서 aA + bB ⇔ cC 반응의 free-energy change는 이 때 free energy를 다음과 같이 표기한다.

: standard state에서
species의 free energy pure solid 에서는 (1atm, at T) ∴
( )

이것으로 standard-state free energy를 나타낸다.
표 3에 나타낸 것은 온도와 H2O의 상태에 따른 , 그리고 한계효율이다. 한계효율은 로 정의된 것이다. 이제 의 온도에 대한 관계를 고려하여 정리된 식은 다음과 같다.

Nernst식으로 주어진 cell의 기전력은 열역학적 가역상태에서 얻을 수 있는 이상 기전력이며, 흔히 open circuit voltage라고 부른다. 그것은 부하측으로 흐르는 전류가 0A일 때에 나

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