연료 전지의 작동원리

1. 연료 전지의 작동 원리

연료 전지는 역 전기 분해로 알려진 전기 화학 반응을 통해 전기를 생성합니다. 연료 전지는 수소(H2)와 산소(O2)의 화학 반응에서 직접 전기를 생성하는 장치입니다. 연료 전지는 배터리처럼 주기적으로 재충전하거나 발전기처럼 연소에서 얻은 에너지를 전기로 변환할 필요가 없습니다. 

연료 전지 발전은 물 (H2O)의 전기 분해의 역입니다. 물 전기 분해는 전해질에 전압이 가해지면 물의 수소 이온(H+)에 전자(e-)가 주어져 수소가 되고, 수산화물 이온(OH-)은 전자를 빼앗아 산소와 물이 됩니다.

반면에 연료 전지는 양극, 음극 및 전해질로 구성됩니다. 수소 가스는 전해질로 전달됩니다. 양극 부위에서 수소 분자는 수소 이온과 양성자로 분리됩니다. 수소 이온은 다공성 전해질을 통해 음극을 향해 통과하고 전자는 회로를 통해 강제로 전류를 생성합니다.

 

음극에서 산소는 회로에서 전자를 받아 산소 이온(O2-)을 생성합니다. 그런 다음 전해질의 수소 및 산소 이온이 결합하여 물을 생성합니다.

 

 

연료전지 발전의 메커니즘

그 메커니즘으로 인해 연료 전지는 매우 깨끗하고 탄소가 전혀 없습니다. 이러한 특성으로 인해 발전 및 더 많은 응용 분야에 매력적인 연료가 됩니다.

 

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2. 대체 연료로서의 연료 전지

연료전지는 전기를 생산할 때 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않기 때문에 온실가스 배출을 줄일 수 있는 잠재력이 가장 큽니다. 연료 전지는 물만 생산하며 환경에 거의 영향을 미치지 않습니다. 즉, 녹색 에너지는 청정 에너지원으로 사용될 수 있습니다.

화력발전소에서 주로 사용되는 발전기는 연료를 태워 물을 가열하고, 물을 증기로 바꾼 에너지로 터빈을 돌려 전력을 생산합니다. 대규모 발전 능력은 장점이지만, 에너지 손실이 크고, 설비가 확충되는 경향과 같은 단점이 있습니다.

한편, 연료전지는 일반 발전기에 비해 발전 시 소음과 진동이 적고, 단기간에 연료전지 설치가 완료된다. 수력, 화력 및 원자력 발전소와 달리 연료 전지는 소규모 상업 시설에 적합합니다. 이 발전을 분산 전원이라고 합니다. 지역 에너지 소비를 위한 국산화를 통해 송전 손실을 줄여 지역경제 활성화에 기여할 것으로 기대됩니다.

연료전지는 발전용 열을 발생시키기 때문에 폐열을 이용하여 물을 생산하는 데 2차 에너지 용도로 사용하게 되는데, 이는 연료전지의 가장 큰 장점 중 하나입니다. 수소 가스를 생산할 때 연료 전지는CO2를 배출하지만 열발전당CO2의 양은 화력 발전 등 다른 발전에 비해 적습니다.

 

 

 

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3. 연료전지의 종류

연료전지는 발전 방식과 용도에 따라 고유한 특성을 가지고 있습니다. 아래의 4가지 유형의 연료 전지는 일반적으로 실용화에 사용할 수 있습니다.

 

 

 

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1) 고분자 전해질 연료 전지(PEFC)

일본에서는 고분자 전해질 연료 전지가 주로 Ene-Farm 및 연료 전지 자동차와 같은 가정용 연료 전지 시스템의 실용화에 사용됩니다. 양성자 전도성 고분자 멤브레인을 전해질로 사용합니다. 가정용 연료전지는 도시가스에서 추출한 수소를 연료로 사용하고 있습니다. 연료전지는 발전효율이 30∼40%로 낮은 비교적 낮은 온도(70∼90°C)에서 동작하며, 배기열을 이용하여 온수를 공급할 수 있다.

 

 

 

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2) 인산 연료 전지(PAFC)

인산 연료 전지(PAFC)는 공장 및 사무실의 열병합 발전 응용 분야에 사용됩니다. 식품 공장 및 반도체 공장에서 사용됩니다. PAFC는 진한 인산이 함침된 소결 탄화규소 분말 플레이트를 전해질로 사용합니다. 발전 효율은 35∼42%이며 작동 온도는 약 180∼200°C입니다.

 

 

 

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3) 용융 탄산염 연료 전지(MCFC)

용융탄산염연료전지(MCFC)는 화력발전소와 같은 고출력 발전설비를 대체하는 데 필수적입니다. MCFC는 다공성 세라믹 매트릭스에 현탁된 용융 탄산염 또는 전해질로 사용되는 기타 물질을 사용합니다. 발전 효율은 40-50%로 높지만 작동 온도는 600-700°C로 높습니다. 상수도 당국은 MCFC의 시범 도입을 주도합니다. 

 

 

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4) 고체산화물 연료전지(SOFC)

 

고체산화물 연료전지(SOFC)는 고출력 발전 장비로도 사용됩니다. SOFC는 전해질 재료에 지르코니아 세라믹을 사용합니다. 가정용 및 자동차 응용 제품에 대한 개발이 진행 중입니다. 700 - 1,000°C의 높은 온도에서 작동하며 40 - 65%의 높은 발전 효율을 제공합니다.

 

 

 

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4. 연료 전지의 미래

연료전지 시스템은 화석연료의 막대한 소비로 인한 기후변화를 고려할 때 지구온난화에 가장 잘 대응하고 있습니다. 녹색 에너지의 개발은 전 세계적으로 훨씬 더 장려되어야 합니다. 소형 연료전지는 특히 소규모 발전에 적합하며, 데이터센터 및 공공시설의 비상전원으로 주목받고 있다.

지진이나 태풍 등의 자연재해가 일본을 강타하는 경우가 많기 때문에 많은 시정촌과 사업소에서 장기간 정전이 발생했을 때 소규모 민간 발전 시스템을 설치하여 대책을 강구하고 있습니다. 연료 전지는 발전 응용 분야와 관련하여 많은 잠재력을 가지고 있습니다.

작고 가벼운 연료 전지는 현재 모바일 배터리를 사용하는 휴대용 장치에 전원을 공급할 수 있습니다.

 

 

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예를 들어, 실증 실험에서는 수소 충전소에서 태양 전지 차량에 수소를 충전하고 연료 전지 차량을 운송 수단뿐만 아니라 가정 및 장비의 배터리 및 전원 공급원으로 사용합니다.

그러나 수소 공급망을 지원하기 위해 더 많은 인프라가 필요하기 때문에 많은 기업이 해안 지역에서 실험적으로 연료 전지 활용을 구현하기만 하면 됩니다.

연료가스로 수소를 생산하는 것 외에도 음식물 쓰레기에서 유래한 바이오가스 이용, 수소를 사용하지 않고 메탄올을 전해질로 사용하는 연료전지에 대한 연구가 진행되고 있습니다.

연료 전지는 다양한 산업 분야에서 다양한 응용 분야를 제공합니다. 유럽, 북미 및 기타 국가에서 연료 전지 설치에 합류했습니다. 독일에서는 연료 전지로 운행되는 철도 차량이 실험적으로 도입되었습니다. 미국에서는 버스나 트럭 등의 연료전지차가 대형차를 중심으로 개발되고 있습니다.

그러나 연료 전지를 사용하면 안전 문제와 수소 분배를 지원하기 위한 더 많은 인프라의 필요성을 비롯한 몇 가지 단점이 있습니다. 연료전지는 녹색에너지의 미래로 여겨지는 연료전지 기술의 연구개발 잠재력이 큽니다.

연료 전지 개발에서 전자 부하는 전력 소비를 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. 전자 부하는 일반적으로 전력을 열로 처리합니다. 겨울에는 난방을 대신할 수 있지만 여름에는 열을 식히기 위해 에어컨이나 기타 전력이 필요합니다.