연료전지 | 만들어진 수소를 사용할 수 있는 형태로 변환하다.

친환경 수소 시리즈

출처: “직장인 509의 ESG&Economy Story”

(1) 수소에너지와 수소 생산 – 개질수소, 부생수소, 수전해
(2) 수소 분류 – 에너지원/생산방식에 따른 분류 및 수소 색깔
(3) 수소에너지와 연료전지 – 수소 생산 그 이후, 수소를 이용한 전력생산

Intro.

수소(H₂)는 천연가스를 이용해 ‘개질(추출)’하여 만들기도,
철강, 석유화학 등 다른 산업의 공정 중에 부산물로써 만들어지기도,
신재생 에너지 발전으로 얻은 전기로 물을 전기분해하여 만들어내기도 했다.

​이렇게 만들어진 수소는 에너지이긴 하지만, 우리 실생활에서 사용할 수 없는 형태이다.

따라서, 실생활에서 사용할 수 있는 가장 흔한 형태인 ‘전기’로 변환하여 사용하여야 하는데, 수소에너지에서 전기에너지로 변환해주는 것이 바로 ‘Fuel cell’이다

연료전지란?(Fuel Cell)

전지는 크게 1차전지(primary cell), 2차전지(secondary cell), 연료전지(fuel cell)로 구분한다.
1차전지는 방전되면 충전할 수 없는 ‘비가역적 화학반응’에 의한 전지로, 알카라인 건전지를 떠올리면 된다.

​요즘 한창, 2차전지가 이슈이다.
2차전지는 방전 후, 충전해서 사용할 수 있는 전지로, 핸드폰, 노트북 등에 사용하는 리튬이온전지 또는 전기차배터리로 사용되는 니켈코발트망가니즈, 리튬인산철 전지 등을 예로 들 수 있다.

※ 출처: 네이버백과사전(한국물리학회 물리학백과)

한국물리학회 물리학백과에서는 ‘연료전지(Fuel cell)‘를 ‘연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시키어 전기에너지를 발생시키는 장치’로 정의했다.​

전지의 핵심 구성요소는 음극재, 양극재, 전해질, 분리막이다.​

음극(연료극)에 수소와 촉매를 투입하면 촉매에 의해 수소의 산화반응이 일어난다.
그 결과로 만들어진 수소이온(2H⁺)은 전해질을 통해 양극(산소극)에서는 수소이온과 산소가 결합하며 물이 생성된다.
이때 양극과 음극의 반응으로 전자가 음극에서 양극으로 이동하며 전류가 흐르게 된다.

• 음극(anode) 2H₂ → 4H⁺ + 4e^–
• 양극(cathode) O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O

이렇게 수소와 산소의 일련의 전기화학 반응을 통해 전기가 생성된다.

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연료전지 종류

종류는 ‘전해질 종류’에 따라 아래와 같이 구분한다.

○ 고분자 전해 연료전지
(PEMFC; Polymer Electrolyte or Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

현재 가장 널리 사용되며, 비교적 낮은 온도(약 30-100℃)에서 작동하며, 약 60%의 효율을 보인다.
차량용이나 낮은용량의 열병합 시스템에서 사용되고, 가격이 나가는 백금을 촉매로 사용하기 때문에 경제성이 낮다.
기술적으로는 ‘이온전도도’를 향상시키기 위한 습도조절이 관건이다.

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○ 고체 산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)

매우 높은 온도(약 650-1,000℃)에서 운영되며, 높고 낮은 용량의 열병합 발전에서 다양하게 사용되는 등 활용도가 높다.
다만, 고온을 견딜 수 있는 소재를 선택하고, 제조하는 데 어려움이 있고, 비용이 많이 들며, 장시간 운영하게 되면 소재가 소결(떡짐현상)되는 문제가 있다.

○ 알카라인 연료전지(AFC; Alkaline Fuel Cell)

1세대 연료전지로, 비교적 저온(약 50-200℃)에서 작동된다.
약 60% 정도의 효율을 보이는 알카라인 전지는 과거 미 우주프로그램(아폴로 시리즈)에서 전기와 물 생산을 위해 사용된 바 있다.
촉매로 귀금속을 사용하지 않아, 단가를 낮출 수 있지만 이산화탄소에 매우 취약하다는 단점이 있다.

○ 용융탄산염 연료전지(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell)

약 650℃ 정도의 고온에서 작동하며, 중간~대규모 열병합발전 시스템에 사용된다.
LNG 및 LPG를 연료로 사용할 수 있으며, 귀금속 촉매를 사용하지 않는다.
전지 자체의 효율은 약 65% 정도지만 발생하는 열까지 활용하면 85%의 효율을 보인다.
다만, 고온이라는 작동환경 때문에 내구성이 약하다는 단점이 있다.

○ 인산 연료전지(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell)

​인산연료전지는 220℃ 이하의 저온에서 작동하며, 200kW 정도 규모의 열병합 발전에서 많이 이용된다.

전지 자체의 효율은 40% 정도지만, 발생하는 열까지 이용하면 80%까지 효율을 올릴 수 있다.
전해질로 사용하는 인산의 가격이 저렴하다는 장점이 있지만, 촉매로 백금을 사용하기 때문에 일산화탄소 노출에 취약하다.

○ 직접 메탄올 전지(DMFC; Direct Methanol Fuel Cell)

100℃ 이하의 저온에서 작동하며, 낮은 출력의 휴대용 전자제품에 주로 사용된다.
연료로 수소 기체 대신, 액체 메탄올을 사용하기 때문에 연료 공급이 쉽지만, 비싼 백금촉매를 사용하여, 경제성이 떨어진다는 단점이 있다.

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