연료전지란?

 

연료전지기술

연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술

H₂+ 1/2O₂→ H₂O + 전기 생성물이 전기와 순수(純水)인 발전효율 30~40%, 열효율 40% 이상으로 총 70~80%의 효율을 갖는 신기술임

 

연료전지 발전원리 (단위전지) 

연료중 수소와 공기중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전

1.연료극에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리

2.수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동, 전자는외부회로를 통해 공기극으로 이동

3.공기극 쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물(물)을 생성

⇒최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열생성

 

Anode(Pt/C)(H₂↔2H⁺+2e_-) Electrolyte 2H₊→ Cathode(Pt/C)(1/2O₂+2H⁺+2e^-→H₂O)

 

연료전지의 종류

* 전해질 종류에 따라 연료전지를 구분

구분	알카리 (AFC)	인산형 (PAFC)	용융탄산염형 (MCFC)	고체산화물형 (SOFC)	고분자전해질형 (PEMFC)	직접매탄올 (DMFC)
전해질	알카리	인산염	탄산염	세라믹	이온교환막	이온교환막
동작온도 (℃)	120이하	250이하	700이하	1,200이하	100이하	100이하
효율(%)	85	70	80	85	75	40
용도	우주발사체 전원	중형건물 (200㎾)	중·대형건물 (100㎾~㎿)	소·중·대용량 발전(1㎾~㎿)	가정·상업용 (1~10㎾)	소형이동 (1㎾ 이하)
특징	-	CO 내구성 큼, 열병합대응 가능	발전효율 높음,내부개질 가능,열병합대응 가능	발전효율 높음, 내부개질 가능, 복합발전 가능	저온작동 고출력밀도	저온작동 고출력밀도

※AFtC(Alkaline Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid FC), MCFC(Molten Carbonate), SOFC(Solid Oxide),
PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane), DMFC(Direct Methanol)
→ 순서대로 기술발전 단계임

 

시스템 구성도

연료전지 발전시스템 구성도

 

 

 

 화석연료에서 수소가 발생되어 공기중의 산소와 연료전지를 통해 반응, 30%의 열이 발생되고 온수와 난방에 이용됨. 전력변환장치를 통해 직류전기를 교류로 변환함.

• 개질기(Reformer)

  화석연료(천연가스, 메탄올, 석유 등)로 부터 수소를 발생시키는 장치 시스템에 악영향을 주는 황(10ppb이하), 일산화탄소(10ppm이하) 제어 및 시스템 효율향상을 위한 compact가 핵심기술

• 스택(Stack)

  원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체 단위전지 제조, 단위전지 적층 및 밀봉, 수소공급과 열회수를 위한 분리판 설계·제작 등이 핵심기술

• 전력변환기(Inverter)

  연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치

• 주변보조기기(BOP: Balance of Plant)

  연료, 공기, 열회수 등을 위한 펌프류, Blower, 센서 등을 말하며, 연료전지에 특성에 맞는 기술이 미비함

 

각 연료전지 발전 현황

• 알칼리형(AFC : Alkaline Fuel Cell)

  1960년대 군사용(우주선 : 아폴로 11호)으로 개발

  순 수소 및 순 산소를 사용

• 인산형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell)

  1970년대 민간차원에서 처음으로 기술개발된 1세대 연료전지로 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 이용 / 현재 가장 앞선 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있음

• 용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)

  1980년대에 기술개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지,대형건물의 분산형 전원으로 이용 / 미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중(250㎾ 상용화, 2MW 실증)

• 고체산화물형(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)

  1980년대에 본격적으로 기술개발된 3세대로서, MCFC보다 효율이 우수한 연료전지, 대형발전소,
  아파트단지 및 대형건물의 분산형 전원으로 이용

  최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나 우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이 가장 낮음

• 고분자전해질형(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane)

  1990년대에 기술개발된 4세대 연료전지로 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용

  가장 활발하게 연구되는 분야이며, 실용화 및 상용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있음

• 직접메탄올연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)

  1990년대 말부터 기술개발된 연료전지로 이동용(핸드폰, 노트북 등) 전원으로 이용

  고분자전해질형 연료전지와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야임

 

 

연료전지 [fuel cell, 燃料電池]

 

연료의 화학 에너지를 전기 화학적 반응을 거쳐서 직접 전기로 변환시키는 기구.

 

연료의 화학 에너지를 전기 화학적 반응을 거쳐서 직접 전기로 변환시키는 기구. 연료전지는 대부분의 다른 에너지 변환기보다 훨씬 높은 효율을 가지고 있다. 연료전지는 볼타 전지와 같은 1차 전지와 유사하여 화학반응에 의해서 전자가 한쪽 전극에서 방출되어 외부의 회로를 통과하여 다른 쪽 전극으로 이동하게 된다. 연료전지에서는 액체나 기체의 형태로 연료가 한쪽 전극에 계속 공급되고 다른 쪽 전극에는 산소나 공기를 외부로부터 계속 공급해주기 때문에 축전지보다 훨씬 긴 시간 동안 전기 에너지를 생산할 수 있다. 제2차 세계대전 이후 대용량의 전력을 생산할 수 있는 실용적인 연료전지와 축전지의 개발에 관한 관심이 매우 커졌다. 연료전지를 상업적으로 사용하기 위한 여러 가지 시험적인 시도가 있었으나 지금까지는 특별히 성공한 경우가 없다.

연료전지는 대부분의 다른 에너지 변환기보다 훨씬 높은 효율을 가지고 있다. 연료전지는 볼타 전지와 같은 1차 전지와 유사하여 화학반응에 의해서 전자가 한쪽 전극에서 방출되어 외부의 회로를 통과하여 다른 쪽 전극으로 이동하게 된다. 이러한 유사점이 있는 반면 축전지와 연료전지 사이에는 중요한 차이가 있는데, 축전지에서는 전극 내에 반응물질이 포함되어 있어서 반응이 진행되면서 반응물질이 화학적으로 변환되어 점차 소멸된다. 반면에 연료전지에서는 액체나 기체의 형태로 연료가 한쪽 전극에 계속 공급되고 다른 쪽 전극에는 산소나 공기를 외부로부터 계속 공급해주기 때문에 축전지보다 훨씬 긴 시간 동안 전기 에너지를 생산할 수 있다.

1830년대 후반에 영국의 윌리엄 R. 그로브가 최초의 연료전지라고 할 수 있는 것을 제작했는데, 이 기구는 백금전극 위에서 수소와 산소를 반응시켜 전류를 얻었다. 이후에 석탄과 같은 재래식 연료나 석탄으로부터 추출된 일산화탄소와 수소를 직접 전기화학적인 산화과정을 통하여 전기를 얻으려는 노력이 계속되었다. 전해질로 여러 가지 염(鹽)의 수용액이나 용융액을 사용하기도 했다. 연료전지 작동의 기본원리를 모두 이해했고 상당히 창의적이었음에도 초기 연구에서는 증기나 수력을 이용하는 발전기와 견줄 만한 연료전지를 생산하지 못했다. 이당시의 연료전지는 반응이 비효율적이고 속도가 느렸으며 수명이 아주 짧았다.

제2차 세계대전 이후 대용량의 전력을 생산할 수 있는 실용적인 연료전지와 축전지의 개발에 관한 관심이 매우 커졌다. 신기술에 의해 개선의 가능성에 대한 확신이 서고, 군사용이나 항공우주계획에서 필요성이 증대되고, 발전소와 내연기관에 의한 대기 오염을 줄이려는 적극적인 노력의 결과로 1960년대 초반에 연료전지에 대한 연구가 가속화되었다. 여러 종류의 연료전지가 동작가능함을 보여주었고 이중 많은 수가 개량되어 실제로 이용되었다. 수소, 메틸알코올, 히드라진, 간단한 구조의 탄화수소 등이 연료로 사용되었고 산소나 공기가 산화제로 사용되었다. 전해질로는 여러 가지가 사용되었는데 고농도의 산성이나 알칼리 용액을 150℃ 이하에서 사용하기도 하고, 용융된 탄산염이나 다른 염기를 수백℃에서 사용했다.

어떤 연료전지에서는 이온 전도성을 갖는 개량 산화지르코늄을 고체 전해질로 약 1,000℃에서 이용하기도 했다. 현대의 연료전지 대부분은 다공성(多孔性) 금속이나 탄소를 전극으로 사용하며 저온에서는 반응속도를 어느 수준까지 증가시키기 위해 촉매를 사용한다. 어떤 형태의 연료전지 시스템은 필요한 연료와 산화제를 저장하고 조절할 수 있으며 발생하는 열과 반응 생성물을 제거할 수 있는 기능도 갖추고 있다.

이와 같은 시스템 중 산소와 수소를 이용하는 2가지가 미국 유인우주선의 주요전력원으로 사용되었다. 미래에 가능한 장시간의 우주여행(예를 들면 다른 행성으로의 여행)에 사용하기 위해서는 태양광 발전기나 원자력 발전기가 더 적합하다고 생각되고 있으며 재생산이 가능한(즉 역과정으로 수소와 산소를 재생산할 수 있는) 연료전지는 이와 같은 장치의 보조장치로 사용될 것이다(→ 재생식 전지). 수소-산소 연료전지는 지게차와 소형 자동차의 전원으로 실험적으로 사용되고 있다. 연료전지를 상업적으로 사용하기 위한 여러 가지 시험적인 시도가 있었으나 지금까지는 특별히 성공한 경우가 없다. 그러나 메탄올로 작동하는 연료전지는 텔레비전의 중계국이나 항해용 부표에 전력을 공급하는 등 제한된 용도로 사용되고 있다.