[에너지] 차세대 발전 - 연료전지

연료전지는 천연가스 등의 연료를 개질함으로써 얻어진 수소를 주 연료로 해서, 
이 수소가 산소와 화학반응을 하였을 때의 에너지를 전력으로서 생산하는 새로운 발전 시스템입니다. 
연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환한다는 점에서 화학전지의 일종입니다.

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1. 연료전지란?

 

연료전지 개요

 

• 물질이 탄다는 것은 화학적으로 말하면 물질과 산소가 반응한다는 것이며 이것을 연소반응이라고 하고 여기서 타는 것을 연료라고 합니다. 이 때 연료가 가지고 있는 에너지는 열에너지로 되어서 방출 됩니다. 이제까지의 일반적인 화력발전은 이 열에너지를 우선 기계 에너지로 바꾸고 이것을 다시 전기 에너지로 변환하는 것입니다. 그러나 연료전지는 연료를 연소시키지 않고 전기화학적으로 반응 시켜서 직접 전기에너지로서 끄집어내게 한 것입니다.
   
• 연료전지는 기존 발전 시스템인 엔진이나 터빈과는 달리 카르노 사이클의 효율의 제약을 받지 않기 때문에 높은 발전효율이 기대되며 또한 질소산화물, 유황산화물 등 유해성분의 배출도 극히 적은 깨끗한 발전 시스템입니다.

2. 연료전지의 원리

전해질을 사이에 끼고 연료극과 산소극을 둡니다. 연료극 측에는 연료를 산소극 측에는 산소 또는 공기의 산화제를 넣어 줍니다. 전해질인 인산액 중에서는 수소이온이 움직일 수도 있으므로 연료극 측의 수소는 수소가 없는 산소극 측으로 이동하려고 합니다. 이때 수소는 전해질 내의 이온으로 되려고 연료극 부근에서 전자를 한 개 방출합니다. 이온으로 된 수소는 산소극으로 이동해서 산소극 부근에서 전자를 받아 수소로 돌아가고 이것이 산소와 반응하여 수증기로 됩니다. 

 
반응은 연속적으로 진행되면서 외부회로에는 전자가, 전해질 내에는 이온이 흐르게 됩니다. 이 양 전극 간의 수소의 농도차, 즉 이 Gibbs의 자유 에너지차가 구동력이 되어 전극 반응을 중계하여 화학 에너지가 전기에너지로 직접 변환되는 것입니다. 전기 화학반응은 전극을 중계로 해서 직접전기를 발생한다는 점에서 큰 특징이 있는 것이ㅕ 열기관처럼 압력이나 온도가 기계적인 일을 한다는 과정과는 다른 것입니다.
 

3. 연료전지의 한계 

• 연료전지의 기본 작동은 설명하기 어렵지 않을 수 있습니다. 그러나 저렴하고 효율적이며 신뢰할 수 있는 연료 전지를 만드는 것은 훨씬 더 복잡한 사업입니다.
  
  
• 과학자와 발명가들은 효율성을 높이기 위해 다양한 유형과 크기의 연료 전지를 설계해 왔으며, 각 종류의 기술적 세부 사항은 다양합니다. 연료 전지 개발자가 직면한 많은 선택은 전해질 선택에 의해 제한됩니다. 예를 들어 전극의 설계와 전극을 만드는 데 사용되는 재료는 전해질에 따라 달라집니다. 오늘날 주요 전해질 유형은 알칼리, 용융 탄산염, 인산, 양성자 교환막(PEM) 및 고체 산화물입니다. 처음 세 개는 액체 전해질입니다. 마지막 두 개는 고체입니다.
  
  
• 연료의 종류도 전해질에 따라 달라집니다. 일부 전지에는 순수한 수소가 필요하므로 연료를 정화하기 위해 "개질기"와 같은 추가 장비가 필요합니다. 다른 셀은 일부 불순물을 견딜 수 있지만 효율적으로 실행하려면 더 높은 온도가 필요할 수 있습니다. 액체 전해질은 펌프가 필요한 일부 셀에서 순환합니다. 전해질 유형에 따라 셀의 작동 온도도 결정됩니다. 이름에서 알 수 있듯이 "용해된" 탄산염 셀은 뜨거워집니다.
  
  
• 각 유형의 연료전지는 다른 연료전지에 비해 장점과 단점이 있으며 석탄 화력발전소, 수력발전소, 심지어 원자력 발전소와 같은 전통적인 전력 생산 방식을 대체할 만큼 저렴하고 효율적인 연료전지는 아직 없습니다.

 

4. 연료전지의 종류

• 알칼리 연료전지는 압축된 수소와 산소로 작동합니다. 그들은 일반적으로 물에 용해된 수산화칼륨(화학적으로 KOH) 용액을 전해질로 사용합니다. 효율은 약 70%이고 작동 온도는 150~200°C(약 300~400°F)입니다. 셀 출력 범위는 300와트(W)부터 5킬로와트(kW)까지입니다. 알칼리 전지는 아폴로 우주선에서 전기와 식수를 공급하는 데 사용되었습니다. 그러나 순수한 수소 연료가 필요하고 백금 전극 촉매가 비싸다. 그리고 액체로 채워진 다른 용기와 마찬가지로 누출될 수 있습니다.
  
  
• 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 나트륨이나 마그네슘과 같은 탄산염(화학적으로 CO 3 ) 의 고온 화합물을 전해질로 사용합니다. 효율은 60~80%이며 작동 온도는 약 650°C(1,200°F)입니다. 최대 출력이 2MW인 장치가 건설되었으며 최대 100MW 장치에 대한 설계도 존재합니다. 고온은 전지의 일산화탄소 "중독"으로 인한 손상을 제한하며 폐열은 재활용되어 추가 전기를 생산할 수 있습니다. 니켈 전극-촉매는 다른 전지에 사용되는 백금에 비해 가격이 저렴합니다. 그러나 높은 온도는 MCFC의 재료와 안전한 사용을 제한합니다. 가정에서 사용하기에는 너무 뜨거울 수 있습니다. 또한 전해질의 탄산 이온이 반응에 모두 소모되므로 이를 보충하기 위해 이산화탄소를 주입해야 합니다.
  
  
• 인산형 연료전지(PAFC)는 인산을 전해질로 사용합니다. 효율 범위는 40~80%이고 작동 온도는 150~200°C(약 300~400°F)입니다. 기존 인산 셀은 최대 200kW의 출력을 가지며 11MW 단위가 테스트되었습니다. PAFC는 약 1.5%의 일산화탄소 농도를 견딜 수 있어 사용할 수 있는 연료 선택의 폭이 넓어집니다. 휘발유를 사용하는 경우 유황을 제거해야 합니다. 백금 전극-촉매가 필요하며 내부 부품은 부식성 산을 견딜 수 있어야 합니다.
  
  
• 양성자 교환막 (PEM) 연료 전지는 얇고 투과성인 시트 형태의 고분자 전해질과 함께 작동합니다. 효율은 약 40~50%이고 작동 온도는 약 80°C(약 175°F)입니다. 셀 출력 범위는 일반적으로 50~250kW입니다. 단단하고 유연한 전해질은 새거나 깨지지 않으며, 이 셀은 가정과 자동차에 적합할 만큼 충분히 낮은 온도에서 작동합니다. 하지만 연료를 정제해야 하고, 막 양면에 백금촉매를 사용하기 때문에 비용이 상승한다.
  
  
• 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 금속(칼슘 또는 지르코늄과 같은) 산화물(화학적으로는 O2) 의 단단한 세라믹 화합물을 전해질로 사용합니다. 효율은 약 60%이고 작동 온도는 약 1,000°C(약 1,800°F)입니다. 셀 출력은 최대 100kW입니다. 이렇게 높은 온도에서는 연료에서 수소를 추출하기 위해 개질기가 필요하지 않으며 폐열을 재활용하여 추가 전기를 생산할 수 있습니다. 그러나 고온으로 인해 SOFC 장치의 적용이 제한되며 규모가 커지는 경향이 있습니다. 고체 전해질은 누출될 수 없지만 깨질 수 있습니다.

연료전지는 연료와 산소가 공급되는 한 지속적으로 전기를 생산할 수 있습니다.
미래 에너지의 자격이 있어 보이네요.