연료전지 스택 구성 부품

왜 배우는가: 연료전지 스택은 수소연료전지차의 동력을 만드는 핵심 장치이므로, 스택을 이루는 부품의 이름과 기능을 발전 원리와 함께 설명할 수 있어야 답안이 완성된다. 이 주제는 1교시 용어형과 2~4교시 논술형에 걸쳐 함께 출제되므로 부품 기능을 정확한 용어로 정리해 두는 것이 필요하다.

출제 이력: 제137회 1교시 7번, 제128회 4교시 6번, 제110회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

연료전지 스택은 단위 셀을 적층하여 수소와 산소의 전기화학반응으로 전기를 만드는 발전 본체이다. 답안의 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓴다. 이어서 스택을 이루는 핵심 부품을 아래 순서로 익혀 두면 부품 설명을 빠짐없이 쓸 수 있다.

• 연료전지 스택: 여러 장의 단위 셀을 쌓아 원하는 전압과 전류를 얻는 발전 장치 전체이다.
• 단위 셀: 연료극, 전해질막, 공기극이 접합된 발전의 최소 단위이다.
• 막-전극 접합체(MEA): 전해질막의 양면에 촉매층과 기체확산층을 붙인 조립체이다.
• 전해질막(PEM): 수소이온만 통과시키고 전자와 기체의 통과를 막는 고분자 막이다.
• 촉매층: 수소의 산화와 산소의 환원 반응을 촉진하는 얇은 층이다.
• 기체확산층(GDL): 분리판의 유로로 공급된 가스를 고르게 퍼뜨려 촉매층에 전달하는 다공성 층이다.
• 분리판: 연료와 공기를 셀마다 나누어 공급하고 셀과 셀을 전기적으로 연결하는 판이다.
• 엔드플레이트: 스택의 양 끝을 감싸 셀 적층에 체결 압력을 주고 구조를 지지하는 판이다.

스택의 부품은 셀 내부 부품과 셀을 묶는 구조 부품으로 나뉜다. 막-전극 접합체, 촉매층, 기체확산층은 반응이 일어나는 셀 내부 부품이고, 분리판과 엔드플레이트는 가스를 나누고 셀을 묶어 주는 구조 부품이다. 답안에서는 이 두 묶음을 나누어 쓰면 기능 설명이 명확해진다.

2. 개념 풀이

연료전지 스택은 연료의 화학에너지를 연소 과정 없이 전기화학반응으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치를 여러 셀로 조합한 것이다. 셀 하나가 만드는 전압은 셀당 전압 1V 이하에 그치므로, 원하는 전압을 얻으려면 셀을 직렬로 적층해야 한다. 적층 수를 늘리면 전압이 높아지고, 셀의 반응 면적을 넓히면 흐를 수 있는 전류가 커지는 것이 스택 설계의 기본 원리이다. 셀의 구조는 분리판, 기체확산층, 촉매층, 전해질막, 촉매층, 기체확산층, 분리판의 순서로 적층된다. 가운데 전해질막을 사이에 두고 양쪽에 연료극과 공기극이 놓이며, 각 극에서 서로 다른 반쪽반응이 일어난다. 원리는 다음과 같다. 연료극에 공급된 수소는 촉매층에서 수소이온과 전자로 분리된다. 수소이온은 전해질막을 통과해 공기극으로 이동하고, 전자는 막을 통과하지 못하므로 외부 도선을 따라 이동하면서 전류를 만든다. 공기극에서는 공급된 산소가 이 수소이온과 전자를 받아 물을 생성한다. 연료극 반응은 다음과 같다. $H_2 → 2H^+ + 2e^-$ 공기극 반응은 다음과 같다. $½O_2 + 2H^+ + 2e^- → H_2O$ 두 반응을 합친 전체 반응은 다음과 같다. $H_2 + ½O_2 → H_2O$ 이 식에서 전자의 외부 흐름이 전류가 되고, 생성물은 물과 열뿐이다. 스택은 전기와 함께 열을 동시에 내므로 열을 제거하는 냉각수 순환 계통이 함께 필요하다. 생성된 물은 공기 배출구로 나가고, 반응하지 않은 수소는 재순환되어 다시 공급된다. 핵심 용어는 다음과 같다. 삼상계면: 촉매 표면에서 가스, 이온 전도체, 전자 전도체가 동시에 만나는 자리이며, 실제 반응이 일어나는 곳이다. 선택적 투과성: 전해질막이 수소이온은 통과시키고 전자와 기체는 막는 성질이다. 막을 통한 수소와 산소의 투과율이 낮아야 두 반쪽반응이 완전히 나뉜다. 반쪽반응: 한 전극에서 일어나는 산화 또는 환원 반응 하나를 가리키며, 연료극과 공기극에서 각각 일어난다. 전해질막은 수소이온만 통과시키고 전자를 막아 두 전극의 반쪽반응을 나누는 부품이다. 따라서 스택 부품의 역할은 전기화학반응이 일어나는 자리를 만들고, 반응물을 나누어 공급하며, 생성된 전자를 외부로 모으는 세 가지로 정리된다.