촉매란 화학반응의 속도를 높이거나 반응의 온도나 압력을 안정적으로 도와주는 물질입니다. 수소연료전지 또한 다양한 종류의 촉매가 사용되어 기술개발이 되고 있으며, 적용성 및 제조성과 비용의 적합성에 따라 그 종류가 구분되고 있습니다.
수소연료전지 촉매 종류와 특징
1. PEM(양성자 교환막, Proton Exchange Membrane) 연료전지 촉매
주요 촉매 : 백금
PEM 연료전지는 양성자 교환막 혹은 양성자 교환막이라고도 하며, 핵심 부품은 맴브레인, 촉매층, 가스확산층이며, 이를 통틀어 멤브레인 전극 조립체(MEA)라고 부릅니다.
양극과 음극사이에 양전하를 띤 이온만 통과하게 만드는 기술이며, 양극에서 백금 촉매가 수소 분자를 양성자와 전자의 분리를 돕고 이때 분리된 양성자가 음극에 있는 백금촉매와 반응하여 물을 만들어 산소 환원의 흐름을 만들어 줍니다.
기본적으로 백금 촉매는 일산화탄소와 반응하면 백금이 반응할 수 있는 표면적이 줄기 때문에 성능이 저하됩니다. 따라서 추가 촉매제를 첨가할 수 있으며, 작동온도가 약 80도씨로 낮기 때문에 차량의 연료전지에 적합합니다.
2. MCFC(용융탄산염 연료전지) 촉매
주요 촉매 : 니켈
작동온도가 600도씨 ~ 700도씨이기 때문에 열병합 발전소 등과 같은 발전기능이 필요한 곳에서 사용됩니다.
작동온도가 높기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않습니다.
3. PAFC(인산 연료전지) 촉매
주요 촉매 : 백금
인산을 전해질로 하는 인산 연료전지의 작동온도는 약 200도씨에서 작동하며, 폐열을 활용할 수 있는 시설(병원, 호텔, 사무 건물 등)에서 사용됩니다.
다른 연료전지보다 효율이 낮은 편이지만 약 200도씨에서 나오는 열을 열병합 발전 형태로 가동하면 전체 효율은 80% 가까이 나옵니다.
4. AFC(알칼리성 연료전지, Alkaline fuel cell) 촉매
주요 촉매 : 니켈, 니켈 합금(비귀금속)
1939년 최초의 연료전지 기술 중 하나로 미국 NASA의 우주왕복선 프로그램에 사용된 이력이 있습니다. 순수한 알칼리성 수산화칼륨 수용액을 전해질로 사용하는 것이 일반적이며, 작동온도는 약 250도씨에서 70% 수준의 효율을 보여줍니다.
단점으로는 대기 중 이산화탄소를 만나면 탄산염이 생성되어 내구성이 감소될 수 있기 때문에 순수한 수소와 산소를 연료전지에 공급해야 합니다.
5. SOFC(고체 산화물 연료전지, Solid Oxide fuel cell) 촉매
주요 촉매 : 니켈
고체산화물 연료전지라고도 부르며, 작동온도가 약 1,000도씨 범위를 가지고 있습니다. 따라서 열병합 발전과 같은 폐열을 이용하여 효율을 올릴 수 있습니다.
대기 중 산소를 수소 혹은 탄화수소와 반응시켜 전기를 생산하기 때문에 유해물질이 미소하게 나오는 편이지만 비용과 인프라 측면에서 유리한 점이 있습니다.
황과 반응하면 니켈의 표면적을 감소시키는 과립체 현상이 나타나기 때문에 상온에서 안정화를 돕는 세라믹 재료인 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아, Yttria Stabilized Zirconia)가 첨가됩니다.
6. DMFC(직접 메탄올 연료전지) 촉매
주요 촉매 : 백금과 루테늄
메탄올은 에너지 밀도가 상대적으로 높고 비용 또한 저렴한 편에 속합니다. 따라서 여러 장점을 가지고 있는 에너지군에 속합니다.
1990년대 NASA와 제트 추진 연구소에 의해서 개발되었으며, 작동온도는 60도씨 ~ 130도씨의 범위를 가지고 있습니다.
연료인 순수한 메탄올에서 생성되는 수소를 이용하여 산소와 결합시켜 전력을 생산할 수 있는 기술입니다. 즉, 액체 메탄올을 주입하면 물의 전기화학반응을 통해 수소를 추출하고 산소와 결합시켜 전기를 만들 수 있습니다.
7. DLFC(직접액체 연료전지) 촉매
주요 촉매 : 백금
일산화탄소 반응으로 인한 성능감소를 방지하기 위해 텅스텐, 레늄, 주석 등과 같은 촉매 첨가제를 추가할 수 있습니다.