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환경 에너지

연료전지

Mайка 2023. 7. 31. 16:48

⚡발전 방식

 

2023.07.31

 

수소  연료전지
메탄올  연료전지

1. 개요


연료전지, , Fuel Cell

말 그대로 연료를 사용해 전기를 만들어내는 발전기의 일종이다.
  • 기존 발전기와의 비교 - 기존의 발전 시스템이라 할 수 있는 엔진(내연기관)이나 터빈(외연기관)의 경우, 연소 반응에 의해 생긴 열에너지를 운동 에너지로 변환하고 이 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 여러 차례의 에너지 변환 과정을 가지는 데 반해, 연료전지는 연료의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전지로, 단 한번의 변환 과정만을 가진다. 때문에 기술이 성숙할 경우, 기존의 발전 시스템보다 높은 효율을 가질 수 있을 것으로 전망된다.
  • "3차 전지"라는 별명 - 1차 전지(재사용 불가), 2차 전지(배터리, 재사용 가능) 다음 단계인 3차 전지(화학반응)라고 별명이 붙기도 했다.[1] 하지만 다른 전지와 달리 기계 자체에 에너지를 저장하는 것이 아니며 연료가 에너지를 저장하는 형태이므로, 발전기의 일종으로 보는 것이 더 적절하다.

2. 종류

2.1. 구조

종류
발전 온도
전해질
주 연료
기술 수준
적용 대상
고분자 전해질형(PEMFC)[2]
상온~100°C
이온 전도성 고분자 막[3]
수소, 메탄올
상용화 단계
알칼리형(AFC)
상온~100°C
수산화칼륨(KOH)
수소
상용화 단계
우주분야[4]
인산형(PAFC)
150~200°C
인산(H3PO4)
수소
상용화 단계
열병합발전
용융탄산염(MCFC)[5]
600~700°C
용융탄산염
수소, 천연가스
개발 단계
열병합발전, 선박
고체산화물(SOFC)[6]
700~1,000°C
고체산화물
수소, 천연가스
개발 단계
열병합발전, 선박

PEMFC - 수소와 산소를 사용하는 연료전지의 음극 혹은 수소극(anode)에서는 H2인 수소 기체가 2개의 수소 이온과 2개의 전자로 분해된다. 전자는 도선을 타고 양극 혹은 공기극(cathode)으로 이동하고, 수소 이온은 전해질(electrolyte)를 통과해 양극으로 이동하게 된다. 양극에서는 이동해 온 수소 이온과 전자, 산소가 반응해 액상의 물이 생성된다. PEMFC의 작동온도 통상 100도 이하로 액상의 물이 생성되기 때문에 이를 배출하기 위해 기체확산매체에 소수성 제제의 첨가가 필수적이다. SOFC의 경우 음극(anode)에서 산소가 산소이온과 전자로 분리되고 양극에서 산소이온, 수소, 전자가 반응해 수증기가 생성된다. 이 과정에서 존재하는 전자의 이동을 전력으로서 사용한다는 것이 연료전지의 기본 개념이다. 수소자동차에 사용되는 연료전지가 본 PEMFC이다.

SOFC - 전해질로서 산소이온을 전달하는 세라믹 멤브레인을 사용하는 연료전지다. 작동온도가 700도~1000도가량으로 상당히 고온이라는 점이 있지만 스택에서 발생하는 열을 Hot-box 등에 이용해 실제 시스템 외부 온도는 40~50도 수준이다. 또한 여기서 배출되는 열에너지를 회수해 보일러에 이용한다든지, 혹은 또 다른 스팀발전기 등을 연동해 추가적인 에너지를 생산 가능하므로 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다는 장점을 지닌다.

PAFC - 전해질로서 인산을 사용하는 연료전지. 작동온도 200도 가량으로 PEMFC, SOFC와 함께 활발히 개발, 실증되고 있는 타입의 연료전지이다. 두산퓨얼셀이 생산하며, 2019년 중부발전과 폐열회수를 실증했다.

2.2. 연료

  • 수소 - 물의 전기 분해의 역반응. 산소와 결합해 물을 만들며 전기를 만든다.
  • 알코올 - 메탄올, 에탄올 등이 이용된다.
  • 주스 - 산도가 높은 주스에 있는 수소이온이 아연 등의 전자와 결합하려는 경향이 있기 때문이다.
  • 혈당 - 발전용이 아닌 페이스메이커같은 신체삽입물 충전에 쓰이거나 혈당을 측정하기 위한 용도.

2.2.1. 수소

수소 문서가 다루듯, 2022년 기준 탄소를 배출하는 방식(석유화학공장의 부생, 탄화수소의 개질)이 더 싸고 대부분이지만, 안 배출하는 방식(원자력발전소의 부생, 물 전기분해) 쪽이 비싸도 정책적으로 가는 방향이다.

수소는 밀폐된 공간에서 고농도의 산소와 반응, 즉 폭발하는 농도 범위[7]가 크기 때문에 위험하다. 그리고 이동과 저장의 효율을 위해 고압으로 압축되므로 위험하다. 그러나, 실사용 환경에서는 LPG 도시가스보다 안전하다. 잘 알려지지 않아서 그렇지 LPG 차량과 수소연료전지 차량을 세워놓고 연료탱크를 실탄으로 사격하는 실험도 한 적이 있는데 LPG 차량은 그대로 폭발한 반면 연료전지 차량의 경우 내부의 가스만 모두 분출되었다는 실험결과도 있다.* 또한, 분자량이 공기보다 커서 바닥으로 가라앉는 LPG와는 달리 가장 가벼운 분자인 수소의 특성상 누출이 되더라도 순식간에 빠져나가버린다는 점도 안전성에 플러스 요인이다(가장 널리 쓰이는 도시가스는 공기보다 가볍다.). 실제 피해를 끼치기 위해서는 폭발하기 위한 최소 농도(4%)까지 쌓여야 하는데, 이마저도 쉽지 않다는 이야기.

2.2.2. 수소 외

수소 대신 각종 수소화합물들을 수소 대신 연료전지의 연료로 사용하는 것이 보다 실용적이라 여겨져[8] 그쪽으로도 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 연료전지에 수소화합물이 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식이다.

심지어는 석유의 주성분이 탄화수소라는 점을 이용해서, 심지어 수소나 메탄올 같은 것들 대신 그냥 석유를 연료로 쓰는 연료전지도 구상된 바 있는 모양. 셰일에서 추출하는 천연가스나 석유(Shale gas/oil)를 사용하는 연료전지도 대학교/대기업에서 활발히 연구되고 있다.

한편 한국의 연료전지 관련 기업들의 경우, 2023년 현재 대부분 수소 화합물(대부분 도시가스)을 이용하는 연료전지를 상용화 하여 시판 중에 있다.[9] 특히, 고온에서 동작하면서 발전효율이 매우 높은(45% 이상) SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)을 위주로 상용화를 위한 연구개발이 진행 중이다.

유가가 하락할 경우 도시가스 가격도 덩달아 하락하며, 가정에서 가스레인지 대신 전기레인지를 사용하는 등 도시가스 사용량이 감소하는 추세인 경우, 남는 가스를 이용한 연료전지에 대한 연구 역시 활발하다. 특히 수소라는 물질이 가지는 특성 상 보관이 용이하지 않으므로 도시가스를 개질해 연료전지의 연료로 사용하는 방식이 주를 이루고 있다. 연료전지에 도시가스가 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식. 이는 상술한 바와 같이 도시가스의 가격 하락에 힘입은 바가 크다.

2022년, 블룸에너지는 바이오가스 중 메탄으로 SOFC를 돌리는 시운전을 선보이기도 했다. #

반드시 따로 생산해야만 하는 수소와는 달리 천연가스 석유 등을 그대로 연료전지에 넣고 돌리기 위한 연구는 많이 하고 있으나, 후술할 이유 때문에 기술적 난이도가 높다는 문제가 있다.
  • 탄화수소를 연료전지의 연료로 사용할 경우, 반응되지 못한 탄소가 연료전지 전극을 오염시킨다.
  • 완전 연소되지 못한 탄소에서 생기는 일산화탄소의 부식성이 강해 전극을 부식시킨다.
  • 따로 생산, 정제하는 수소와 달리, 천연가스 등을 바로 집어 넣을 것을 전제로 하기 때문에 황화물 등의 불순물이 연료에 들어간다.
  • 효율성 있는 온도가 더 높다.

이 때문에 수소를 대체할 연료로서는 주로 메탄올 등의 알코올 계열 수소화합물이 제안되기도 하였으나, 이 역시 수소를 연료로 사용하는 경우에 비해서 반응 메커니즘이 복잡하고, 기계적 구조가 복잡해지기 쉽다는 문제를 지니고 있다. 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급한다는 구조상, 수소를 그냥 연료로 쓰는 것에 비해서 구조적으로 복잡해지기 쉽다. 또한 생성물로 이산화탄소를 발생시킨다는 단점 때문에 현재는 크게 고려되지는 않고 있다.

대형의 고온연료전지에서는 해결이 이뤄지고 있다. 예를 들어, 600도 이상에서 작동하는 MCFC와 SOFC같은 경우 일산화탄소에 의해 전극이 피독되는 일은 없으며, 메탄(CH4)도 연료로서 사용할 수 있으며, 불순물이 상당부분 섞여있는 수소를 사용해도 문제가 되지 않는다.

2022년, 대한민국 아모지(Amogy)가 암모니아를 바로 사용할 수 있는 연료전지를 출시했다. 이에 사우디 아람코, SK이노베이션 등이 600억원을 투자했다. #

3. 역사

1957년, 최초의 수소비행기인 미국 NACA의 "Martin B-57B"가 비행했다. 하지만 본격적인 논의는 2020년대부터다.

1959년, 최초의 수소자동차인 미국 앨리스차머스의 연료전지 트랙터가 운전했다. 하지만 본격적인 논의는 1990년대부터다.

1961년, 최초의 우주왕복선용 연료전지는 미국 아폴로 계획부터다.[10] 이후 1998년 국제우주정거장에도 도입되었다.

2000년, 최초의 수소선박인 독일 ZeTeK Power의 "Hydra"가 운전했다. 대한민국은 2006년 재래식 잠수함 AIP 시스템에 도입했다.

2008년, 최초의 수소타운이 덴마크 베스텐코브(Vestenskov)에 지어졌다. 가정 및 도시 단위 발전용 연료전지 보급사업. # 이런 보급사업을 일본의 키타큐슈, 후쿠오카, 고베, 네덜란드 흐로닝언, 영국 리즈, 대한민국 울산광역시, 혁신도시들 등이 진행하며 '수소도시/수소타운' 등의 이름을 붙인다.

2016년, 최초의 수소 열차인 프랑스 알스톰의 "Coradia iLint"가 나왔다. 대한민국은 2020년부터 출시했다.

2019년, 대한민국 정부는 "배터리는 소형인 전동기~승용차~선박, 수소는 대형인 상용차~수소 열차~수소비행기~수소선박에 적합하다"고 정리했다.[11] 미래자동차 정책위키

4. 효율

수소 산소를 이용해 전력을 생산해내는 연료전지의 전력생산 효율은 종류에 따라 다르지만 40~50% 선이다. 전력을 강조해놓은 이유는 연료전지에서 발생하는  또한 이용할 경우의 효율까지 고려해야 하기 때문이다. 이 경우 효율은 80% 이상이며, 연료전지에서 발생하는 열은 을 가열해 난방이나 온수 등으로 이용할 수 있게 된다. 특히 SOFC, MCFC 등 고온에서 작동하는 연료전지의 경우 발생하는 열에너지가 많으므로 이를 적절하게 이용하는 것이 중요하다고 할 수 있다.

연료를 이용하는 효율이 높아 보일러보다 투입되는 연료는 적으면서 비슷한 에너지를 낼 수 있다는 장점이 있어 보일러를 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다. 하지만 아직까지 보일러의 가격을 상쇄할 정도로 가격[12]이 현실화되지는 않아서 코스트 다운 등 실용화에 대한 연구가 있어 왔으나 진척은 더딘 실정이다.

한편 전력생산 효율 역시 사실 그렇게 낮은 효율은 아니기도 한데, 이것만 해도 어지간한 내연기관들보다는 효율이 높은 편이며, 지금까지 개발된 동력원들 중에서는 전력생산에 있어서 그럭저럭 쓸만한 효율을 가진 편에 속하기 때문이다.[13] 생물 에너지 전환율과 비교해 보아도 그러한데, 인간 신체의 미토콘드리아를 통한 포도당 에너지 전환율이 약 40%인 것을 생각해봐도 그러하다는 점을 알 수 있다.

5. 활용

용량
발전
(발전소)
수상
(선박)
1~3 kW
가정용
전동기
 
드론, 우주왕복선
20~100 kW
건물용
승용차
어선)
경비행기, 우주정거장
200~400 kW
 
상용차), 동차
여객선, 잠수함
 
1~4 MW
단지용
기관차
 
헬리콥터
4~10 MW
 
 
 
비행기
40~60 MW
 
 
화물선, 소형 군함
 
100~1000 MW
도시용
 
대형 군함, 원자력잠수함급
 

5.1. 발전

연료전지가 생산한 전기를 '고정된' 가정, 건물, 단지, 도시에 사용하는 경우, 발전소의 한 종류가 된다.
  • 2009년~2018년, 포스코가 전국에 171.8MW의 발전용 연료전지를 설치했다. #
  • 2022년 11월, 생산되는 전기만큼 열도 생산되므로, 수소발전 입찰시장에 열 시장(열에너지네트워크)의 효율도 반영하자는 움직임이 생겨났다. #
  • 2023년 1월, 울산에서 1.3MW 용량의 발전용 연료전지를 '수소 아파트'라 처음 이름 붙였다. #

5.2. 교통

별도의 분리된 문서 참고.

5.3. 무기

재래식 잠수함 AIP - 기존 디젤 엔진 잠수함은 가동을 위해 위험하게 수면에 접근해 스노클을 올려야 했고, 시끄러운 소음진동이 발생했다. 하지만 연료전지를 이용하면 산소 수소만 공급해주면 외부 공기 필요없이 발전이 가능해 수중 작전이 가능해진다. 기존 축전지보다 큰 전력 저장이 가능하고 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 덜하다. #. 대한민국 해군 손원일급 잠수함 도산안창호급 잠수함 등이 이에 해당한다.

5.4. 우주

우주왕복선 - 1969년, 인류가 처음 지구 외의 천체에 발을 디딘 아폴로 11호에 들어간 연료전지가 2.3kW다. 이는 2020년대 일반적인 수소드론 용량 정도다. 이후 1972년~2011년[14], 미국 우주왕복선 오비터(본체)에는 96셀의 수소연료전지가 들어갔다. 셀 하나가 7,000~12,000와트의 전력을 15분간 발전할 수 있었다. 사실 이렇게 전력이 많이 필요하지는 않았으며 대개 한 번의 미션에서 완전히 방전되는 셀은 한 개 정도였다고 한다.

우주정거장 - 1998년 발사된 국제우주정거장은 총 100kW의 연료전지를 갖췄으나, 30kW는 연구용이다.

월면차 - JAXA 토요타가 공동 개발하는 월면차 루나 크루저 등은 연료전지를 이용할 예정이다. 1만 km 이상 주행을 목표한다. 상세 내용은 루나 크루저  아르테미스 계획 등 참조.
 

 

출처 : 나무위키

기사원문 : https://namu.wiki/w/%EC%97%B0%EB%A3%8C%EC%A0%84%EC%A7%80