연료전지(Fuel cell)의 기본원리 및 종류

연료전지(Fuel cell)의 기본원리 및 종류

 

 

 

1. 연료전지의 개요

일반적으로 화학반응에 의해 전기에너지를 얻는 것을 전지라 하는데 타전지가 자신이 가지고 있는 화학에너지를 이용하는 반면 연료전지는 회부에서 연속적으로 연료와 산화제를 공급하므로써 직류전력을 얻습니다. 연료전지의 역사는 영국의 H Davy경이 1802년 연료전지의 가능성을 언급한후 1839년 수소와 산소를 이용한 실험이 최초입니다. 이러한 연료전지 시스템은 다양한 응용 분야에서 사용되고 있으며, 지속 가능한 에너지 소스 및 깨끗한 에너지 생산을 위한 중요한 기술로 인식되고 있습니다.

 

 

2. 연료전지의 기본원리

물을 전기분해 하면, 수소와 산소가 발행하는데, 연료전지는 전기분해를 역으로 이용하는 것입니다. 즉 연료중에 포함된 수소를 음극에 공급하고 공기중의 산소를 양극에 공급하여, 전기화학적으로 결합시키는 조건을 만들어 연속적으로 직류와 물을 얻습니다.

<반응식>

음극(-)에 공급된 수소는 촉매에 의해 활성화되어 2H+와 2e-로 이온화됩니다. 2H+ 전해액을 통하여 (+)극으로 이동하고 전자2e-는 부하회로를 통하여 (+)극으로 이동후 산호와 반응하여 물이됩니다.

 

1) 화학 반응

· 연료전지는 연료와 산소 또는 공기 사이에서 화학 반응이 일어나 전기를 생성합니다. 이 화학 반응은 일반적으로 전해질을 사용하여 진행됩니다. 가장 일반적으로 사용되는 반응은 수소와 산소 사이의 반응으로, 수소가 양극에서 산화되고, 전자와 이온을 생성합니다. 이렇게 생성된 전자는 전기로 전달되어 전기 회로를 통해 외부로 흐르게 됩니다. 동시에 이온은 전해질을 통해 양극으로 이동하여 산소와 반응합니다.

반응형

 

2) 전해질

· 전해질은 전기전도성을 가지는 물질로, 이러한 물질을 통해 이온이 이동할 수 있습니다. 연료전지에서 전해질은 산소 이온을 전도하도록 설계되어 있어 양극과 음극 사이의 화학 반응을 지원합니다.

 

3) 외부 회로

· 연료전지에서 생성된 전자는 외부 회로를 통해 흐르면서 일을 수행하거나 전기를 공급합니다. 이 회로는 전기를 사용하는 장치 또는 시스템을 작동시키는데 사용될 수 있습니다.

 

4) 산소 공급

· 연료전지 시스템은 연료로부터 산소 또는 공기를 공급받아 화학 반응을 유지합니다. 이 공급은 산소를 상황에 맞게 제어하고 반응이 지속되도록 합니다. 이러한 기본적인 원리에 기반하여 연료전지는 연료와 산소 사이의 화학 반응을 통해 전기 에너지를 생성하여 다양한 응용 분야에서 사용됩니다.

 

 

3. 연료전지의구성

· 연료개질장치(Reform) : 천연가스등의 연료를 개질(改質)하여 수소함유량이 많은 가스로 만듬

· 전지본체 : 본체는 음극과 양극으로 구성되어 있으며 외부에서 연료(H2) 및 산화제(O2)를 공급하는 장치와 산화물(H2O)를 빼내는 장치등으로 구성, 전해액은 여러 가지가 있으며, 전해질의 종류에 따라 연료전지구분

· 인버터 : 발전된 직류를 교류로 전환하는 장치

 

 

4. 연료전지의 종류

연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 구분되며, 제1,2,3세대 전지가 있습니다.

· 제1세대 : 인산염을 전해질로 사용하는 인산염형 연료전지

· 제2세대 : Na, K, Li등의 용융탄산엄을 전해질로 사용하는 용융탄산염형 연료전지

· 제3세대 : 고체 산화질코늄 혹은 이성다중산 물질을 전해질로 사용하는 고체 전해질형

 

<연료전지의 분류>

1) 인산염형(PAFC: Phosporic Acid Fuel Cell)

· 수소연료를 천연가스, 메탄욜, 납사등에서 얻음.

· 작동온도범위는 170-200도 부근으로 취급이 용이하나 작동온도가 낮아 열효율은 40-43% 정도로 낮음.

· 실용화가 가장 가까우나, 작동온도가 낮아 재료의 선택폭이 넓은반면 전지의 활성도가 낮아 촉매작용이 높은 고가의 백금을 사용해야 하는 결점이 있음.

 

2) 용융탄산염형(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)

· 수소연료를 천연가수, LPG, 나프타, 석탄가스와 가스등에서 얻음.

· 작동온도범위: 650도 부근으로 온도높아 백금촉매가 필요없고, 효율이 좋습니다.

· 고온의 배기열 이용하는 것으로 증기터빈과 조하반 복합발전방식으로 하는 방안이 기대됨.

· 현재 폐열을 이용한 연구가 활발함 2000년대 초반에 실용화 기대.

 

3) 고체 전해질형(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)

· 석탄가스를 이용하여 수소를 얻음.

· 작동온도 1000도 정도로 가장높은 효율이 기대됨.(50-60%정도)

· 고체 전해질 사용으로 구성기기의 부식등 성능열화는 적으나, 기술적으로 해결해야할 문제점이 많아 실용화에는 상당한 시일이 걸릴것으로 에상됨.

 

 

5.전원설비로서의 특징

연료전지는 연료를 직접 전기에너지로 변환하므로 화력발전과는 다른 여러 특징이 있다.

1) 높은 에너지 현환효율

· 연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 직접변환하므로 카르노 싸이클과 같은 열기관의 제약이나 회전부 손실이 없습니다.

· 연료변환장치손실을 고려하여도 40-50%정도의 높은 효율을 낼수 있으며, 복합화력 또는 열병합발전채택시 75%이상의 높은 종합효율이 기대됨.

 

2) 높은 부하 응답성

최소출력에서 최대출력까지 단시간(수초이내)에 출력변환이 수워 단시간 기동이 가능하며, 비상용으로 사용이 가능하며, 부분 부하에서도 효율변하가 거의 없습니다.

 

3) 환경성 우수

· 대기오염 물질은 삭스, 녹스, 성분의 발생이 극히 적고, 대형의 회전기부분이 없으므로 소음이 적으며, 냉각수가 많이 필요치 않아 순환사용이 가능하며, 따라서 온배수 문제가 적습니다.

· 이산화 탄소으 발생량이 타화석 연료 발전방식의 1/3이하로 감소

 

4) 건설부지 확보 및 공기

· 연료전지는 모듈화가 가능하여, 대부분의 제조 및 조립공정이 공장에서 이루어져 건설공기가 단축되며, 용량증설이 용이하고, 고신뢰도가 기대됨.

· 기기배치가 자유롭고, 소요면적이 작아 입지제약이 적고, 소음등의 공해가 거의 없어, 부하중심지인 도시내 및 도심근방에 건설가능.

· 입지제약 환경오염, 공해문제, 냉각수문제등이 거의 없어 부하중심지인 인구밀집 지역에 건설이 가능.

 

5) 기타

· 부하중심지(인구밀도 높은곳)에 건설시 송전선로 단축 및 송전손실 감소로 투자비 및 운전비 감소.

· 연료의 다양성으로 말이맘아 세계의 에너지별 가격변화에 쉽게 대응.

· 연료전지 종류를 쉽게 바꿀수 있어, 연료의 변경에 따른 운전제약 감소.

 

 

6. 향후전망

· 근래 환경문제 대두로 전원설비 입지 확보 어려움이 가중되고 있으며, 특히 원자력은 방사능 및 온배수 소음, 핵페기물 처리등의 문제점이 있고, 화력은 배기가스, 분진, 소듬등의 문제점이 크게 대두되고 있어, 날로 입지확보가 어려워지고 있다.

· 반면 연료전지는 거의 무공해 발전으로 전기이외의 열공급이 가능하여 신도시의 열병합으로도 유리

· 소용량으로 수요지근방에 분산가능하여 분산형 전원으로부터 대용량화력의대체 설비까지 적용이 광범위하며, 특히 분산형 전원으로 개발시 계통의 안정도 측면에서도 유리함.