연료 전지 : 원리, 종류, 활용 분야까지 총 정리

목차

연료전지란?
연료전지의 작동 원리
연료전지 시스템 구성
연료전지의 종류
각 연료전지 발전 현황
연료전지의 장점
연료전지의 단점
연료전지의 활용 분야

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연료전지란?

연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치입니다. 이 화학 반응은 촉매층 내에서 촉매에 의해 이루어지며, 일반적으로 연료가 계속 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능합니다. 주로 수소를 연료로 사용하지만, 천연가스, 메탄올, 석탄 등 다양한 연료를 사용할 수 있습니다. 연료전지는 배터리와는 달리 재충전 없이 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 생산할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한, 발전 과정에서 유해 물질을 거의 배출하지 않아 친환경적인 에너지원으로 주목받고 있습니다.

 

연료전지 개념(출처:나무위키)

 

연료전지의 작동 원리

연료전지는 크게 연료극, 전해질, 공기극으로 구성됩니다.

• 연료극: 수소가 공급되면 수소 원자가 전자와 양자로 분리됩니다.
• 전해질: 양자만 전해질을 통과하고, 전자는 전기 회로를 통해 흐릅니다.
• 공기극: 산소가 공급되면 산소 원자가 전자와 결합하여 물을 생성합니다.

이 과정에서 발생하는 전자의 흐름이 전기로 사용됩니다. 또한, 물이 부산물로 생성됩니다.

 

수소연료 전지 작동 (출처:SK E&S [에너지백과] 수소연료전지)

 

연료전지 시스템 구성

개질기(Reformer)

• 화석연료(천연가스, 메탄올, 석유 등)로 부터 수소를 발생시키는 장치
• 시스템에 악영향을 주는 황(10ppb이하), 일산화탄소(10ppm이하) 제어

스택(Stack)

• 원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체
• 단위전지 제조, 단위전지 적층 및 밀봉, 수소공급과 열회수를 위한 분리판 설계·제작 등이 핵심기술

전력변환기(Inverter)

연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치

 

주변보조기기(BOP: Balance of Plant)

연료, 공기, 열회수 등을 위한 펌프류, Blower, 센서 등을 말하며, 연료전지에 특성에 맞는 기술이 미비함

 

연료전지 시스템 구성 (출처: 한국에너지공단)

 

연료전지의 종류

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 용융 탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류됩니다.

• PEMFC: 저온에서 작동하며, 휴대용 전원 공급 장치, 자동차 등에 적합합니다.
• MCFC: 고온에서 작동하며, 발전소, 대규모 산업 시설 등에 적합합니다.
• SOFC: 고온에서 작동하며, MCFC와 유사하지만, 전해질이 고체 상태이므로 고온에서도 안정적으로 작동합니다.
• DMFC: 메탄올을 직접 연료로 사용하며, 휴대용 전원 공급 장치, 소형 발전 시설 등에 적합합니다.

구분	PEMFC	MCFC	SOFC	DMFC
전해질	이온교환막	탄산염	세라믹	이온 교환막
동작온도(℃)	100이하	700이하	1,200이하	100이하
효율(%)	75	80	85	40
용도	가정/상업용 (1~10kW)	중대형 건물 (100kW~1MW)	소/중/대용량 발전 (1kW ~ 1MW)	소형 (1kW 이하)
특징	저온 작동, 고출력밀도	발전효율 높음, 내부개질 가능, 열병항 대응 가능	발전효율 높음, 내부개질 가능, 복합발전 가능	저온 작동 고출력 밀도

 

연료전지 발전 현황

용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)

1980년대에 기술개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지,대형건물의 분산형 전원으로 이용 미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중(250㎾ 상용화, 2MW 실증)입니다. 

 

고체산화물형(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)

1980년대에 본격적으로 기술개발된 3세대로서, MCFC보다 효율이 우수한 연료전지, 대형발전소, 아파트단지 및 대형건물의 분산형 전원으로 이용 최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나 우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이 가장 낮습니다. 

 

고분자전해질형(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane)

1990년대에 기술개발된 4세대 연료전지로 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용 가장 활발하게 연구되는 분야이며, 실용화 및 상용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있습니다.

 

직접메탄올연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)

1990년대 말부터 기술개발된 연료전지로 이동용(핸드폰, 노트북 등) 전원으로 이용 고분자전해질형 연료전지와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야입니다. 

 

연료전지의 장점

• 친환경: 발전 과정에서 유해 물질을 거의 배출하지 않습니다.
• 고효율: 높은 에너지 변환 효율을 가지고 있습니다.
• 저소음: 운영 시 소음이 적습니다.
• 다양한 연료 사용 가능: 수소, 천연가스, 메탄올, 석탄 등 다양한 연료를 사용할 수 있습니다. 모듈형 구조: 용량 조절이 용이합니다.

 

연료전지의 단점

• 높은 초기 투자 비용: 다른 발전 방식에 비해 초기 투자 비용이 높습니다.
• 수소 생산 및 운송 비용: 수소를 연료로 사용하는 경우, 수소 생산 및 운송 비용이 발생합니다.
• 연료전지 성능 저하: 장기간 사용하면 연료전지 성능이 저하될 수 있습니다.
• 고온 작동: MCFC, SOFC는 고온에서 작동하기 때문에 특수한 재료가 필요합니다.

 

연료전지의 활용 분야

• 발전: 주택, 건물, 발전소 등에 전력을 공급합니다.
• 교통: 자동차, 버스, 선박 등의 운송 수단에 동력을 공급합니다.
• 휴대용 전원 공급: 휴대폰, 노트북, 캠핑 등 다양한 휴대용 기기에 전력을 공급합니다.
• 군수: 군사 작전에 전력을 공급합니다.
• 우주 개발: 우주선에 전력을 공급합니다.

 

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연료전지는 탄소 배출량 감소, 에너지 안보 강화, 지속 가능한 발전에 기여할 수 있는 핵심 기술입니다. 지속적인 연구개발과 정책 지원을 통해 연료전지 기술이 발전하고 비용이 절감된다면, 연료전지는 미래 에너지 시장에서 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.