신재생에너지 - 연료전지에 대해서

 

앞으로 종종 신,재생에너지에 관한 정보를 다루는 포스팅을 하려 한다. 기술원리에 관한 간략한 소개와 어떤 분야에 어떻게 쓰이고 있는지에 대한 정보 위주로 다룰 예정이다. 신재생에너지에는 정말 여러가지가 있는데 그 중 첫번째로 다룰 주제는 '연료전지'이다.

 

신재생 에너지란?

신, 재생 에너지

신재생에너지란 석탄, 석유, 원자력 및 천연가스 등 화석연료가 아닌 태양에너지, 바이오매스, 풍력, 소수력, 연료전지, 석탄의 액화, 가스화, 해양에너지, 폐기물에너지 및 기타로 구분되고 있고 이외에도 지열, 수소, 석탄에 의한 물질을 혼합한 유동성 연료를 의미한다.

 

신에너지 3개 분야 : 연료전지, 석탄액화 및 가스화, 수소 에너지

재생에너지 8개 분야 : 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지

 

연료전지(Fuel Cell)

 

연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 친환경적인 에너지.

말 그대로 연료를 사용하여 전기를 만들어내는 발전기의 일종이다.

 

연료전지의 원리

연료전지의 원리

연료전지의 기본 구성은 양극, 음극, 전해질이 접합된 셀이며 다수의 셀을 쌓아 스텍을 만들어 원하는 전압과 전류를 생산하는 것이다. 일반적으로 연료인 수소를 음극에 공급하면 수소는 수소이온(H+)과 전자(e-)로 산화되고, 양극에는 산소(O2)와 전해질을 통해 이동한 수소이온(H+)과 전자(e-)가 결합하여 물(H2O)을 생성시키는 환원반응을 이용한다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시킨다.

 

구조에 따른 연료전지의 종류

연료전지 종류	발전 온도	전해질	주연료	기술수준	적용대상
고분자 전해질형(PEMFC)	상온~100℃	이온 전도성 고분자 막	수소, 메탄올	개발 및 실증단계	수소 자동차, 수소 열차
인산형(PAFC)	150~200℃	인산	수소	상용화 단계	분산전원
용융탄산염(MCFC)	600~700℃	용융탄산염	천연가스, 수소	개발단계	복합발전, 열병합발전
고체산화물(SOFC)	700~1000℃	고체 산화물	천연가스, 수소	개발단계	복합발전, 열병합발전
알칼리형(AFC)	상온~100℃	KOH	수소	현재 우주산업에서 주로 사용	특수목적

 

 

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) :

연료전지 스택

 

고분자 전해질 연료전지의 원리

 

고분자 전해질 연료전지는 고분자로 이루어진 막을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 구조는 촉매가 포함된 전극과 전해질막으로 이루어져있다. 수소가 공급되었을 때 수소가 수소 이온과 전자로 분리되면 수소 이온은 전해질막을 통해서 반대 전극으로 이동하고 전자는 막이 아닌 도선을 따라서 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 수소 이온은 전해질막으로 통과시키고 이 막으로 통과되지 못한 전자가 밀려서 도선을 따라 흐르게 되어 전류가 생성되는 원리인데, 때문에 전해질막의 높은 수소 이온 투과능력과 전자 절연 능력이 매우 중요하다.

 

분야 : 자동차, 비행기, 배터리

 

인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell) :

인산형 연료전지(PAFC)

인산형 연료전지(PAFC)는 액체 인산을 전해질로 이용하는 연료전지이다. 화학연료(천연가스, 메탄올, 석탄)로부터 개질하여 얻은 수소와, 공기로부터 얻은 산소를 각각 다공성의 anode, cathode극에 공급하고, 양 전극간을 부하가 걸리게하여 접속하면 anode 극에서는 수소가 H2 → 2H+ + 2e- 와 같이 산화되어 수소이온이 생성되고, 전자를 부하회로에 방출한다. 한편 양극에서는 산소가 부하회로를 통하여 온 전자와 인산전해액중을 이동하여 온 수소이온과 반응하여 0.5O2 + 2H+ +2e- → H2O와 같이 물(water)이 생성하게 된다. 인산 전해질은 낮은 온도에서 매우 나쁜 이온 전도성을 갖기 때문에 보통 150~220℃에서 작동하게 된다. 더 높은 온도에서는 이온 전도도가 증가하나 재료(카본이나 백금)의 안정성 때문에 제한을 받게 된다.

 

분야 : 전력수요지(병원, 호텔, 건물 등)의 고정용 동력원, 군사용, 전기자동차 동력용, 전기사업용

 

용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)

용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)

전해질로는 용융된 탄산나트륨 또는 탄산칼륨을 사용하는 연료전지이다. 탄산염을 녹이기 위해 650℃이상의 고온을 필요로 하며 고온형 연료전지로 분류된다. MCFC는 탄산이온(CO32-)을 전하 운반체로 사용하며 공기극 Cathode으로 공급된 산소와 이산화탄소가 전선으로 공급된 2개의 전자와 만나 환원반응을 하여 탄산 이온이 된다. 연료극 Anode에서는 탄산이온과 수소의 산화반응이 이루어져 물과 이산화탄소 그리고 전자가 동시에 발생된다.

 

분야 : 도시형(병원, 대형빌딩, 아파트), 선박용, 중대형(발전사, 집단에너지사업자)

 

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) :

SOFC

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel, SOFC)는 연료의 화학에너지를 직접 전기 에너지로 전환하는 장치이다. 수소 또는 탄화수소를 자유롭게 연료로 사용할 수 있고 에너지 변환 기술이 높은 기술이다. SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 공기극(Cathode) 및 연료극(anode)으로 이루어져 있다. 각 전극에 공기와 연료를 공급하면, 공기극에서는 산소의 환원 반응이 일어나 산소 이온이 생성된다. 생성된 산소 이온은 전해질을 통해 연료극으로 이동하며, 연료극에 공급되는 수소와 반응하며 물을 생성하면서 전자를 내놓는다. 이때 연료극과 전기적으로 연결시켜주는 외부 회로를 형성하면 전자가 연료극에서 공기극으로 흐르면서 유용한 전력을 생산할 수 있다.

 

분야 : 발전기, 선박용엔진, 보일러, 가정/산업용 연료전지

 

알칼라인형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) :

알카라인형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC)

알카라인형 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC)는 전해질로 수산화칼륨 수용액을 사용한다.

환원반응 : O2 + 2H2O + 4e- → 4OH

(Cathode)

산화반응 : 2H2 + 4OH- → 4H2O +4e-

(Anode)

전반응 : 2H2 + O2 → 2H2O

 

분야 : 우주산업

 

연료전지의 종류에 따른 특징

 

구분	AFC	PAFC	MCFC	SOFC	PEMFC
전해질	알카리	인산염	탄산염	세라믹	이온교환막
동작온도(℃)	100이하	220이하	650이하	1200이하	80이하
효율(%)	85	70	80	85	75
용도	특수용	중형건물 (200kW)	중, 대형건물 (100kW~MW)	소, 중, 대용량 발전(1kW~MW)	가정, 상업용 (1~10KW)
선진수준	우주선	200kW	MW이상	MW이상	1~10kW 보급중
국내수준	-	50kW	250kW	1kW	3kW