연료전지 (Fuel cell)

  

연료전지 (Fuel cell)

연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 반응은 전해질내에서 이루어 지며 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 수소 연료전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하며, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화염소 등을 산화제로 이용할 수 있다. 연료전지의 발전 효율은 40∼60% 정도로 대단히 높으며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 80%까지 에너지로 바꿀 수 있다.

 

• 알카라인 연료전지(AFC : Alkaline Fuel Cell)

농축수산화칼륨(Concentrated KOH)을 전해질로 사용하는 연료전지, 수산화칼륨의 농도는 전지의 작동온도(최대 250℃)에 따라 35∼85wt% 범위에서 선택된다. 공기극(Cathode)에서 생산된 수산화이온(OH-)은 전해질을 통해서 연료극(Anode)으로 이동하고, 연료극에서 수소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다.

 

• 직접 메탄올 연료전지

(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)

고분자 전해질 연료전지의 작동원리와 유사하며, 메탄올을 직접 연료로 사용한다는 것이 가장 큰 차이점이다.

고분자 전해질 연료전지이다. 시스템의 경우 연료로 직접 수소를 사용하지 않을 경우 개질기가 필요하지만, 직접 메탄올 연료전지는 개질기가 필요없기 때문에 시스템을 보다 간소화시킬 수 있고, 부하 응답 특성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 하지만 낮은 반응속도에 의한 저출력 밀도 및 다량의 백금촉매의 사용, 메탄올의 투과현상 등이 해결되어야 할 큰 과제로 남아있다. 운전 온도는 주로 상온에서 100℃ 사이이다.

 

• 용융탄산염 연료전지

(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)

전해질로 용융 탄산염을 쓰는 연료전지이다. 600℃ 이상의 고온에서 작동하고, 양질의 폐열을 얻을 수 있어 열병합 발전으로 시스템의 효율을 증대시킬 수 있으며, 연료로는 수소 이외에 일산화탄소도 사용이 가능하므로 석탄가스화 장치와 조합하여 대규모 발전시스템을 구성할 수 있다. 또한 고온 운전시 발생되는 열로 천연가스를 전지 내부에서 직접 수소와 CO로 개질하여 연료로 이용하는 내부 개질이 가능하기 때문에 연료의 전처리 공정을 단순화시킬 수 있는 장점도 있다.

• 인산형 연료전지

(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell)

전해질로 인산(H3PO4)을 사용하는 연료전지이며, 작동 온도는 160∼250℃ 정도이다. 인산형 연료전지는 95% 이상의 진한 인산을 탄화규소(SiC) 매트릭스에 함침시킨 것을 전해질로 사용하며, 천연가스, 나프타, 액화석탄가스와 같은 화석연료나 메탄올 등의 연료를 개질기를 통하여 수소를 발생시켜 사용할 수 있으며 이에 함유되어 있는 이산화탄소나 미반응 탄화수소도 연료전지의 반응에는 영향을 미치지 않는 장점이 있다. 인산은 가격이 저렴하고 풍부하므로, 1960년대부터 주로 미국에서 개발이 진행되어 실용화된 시스템이며, 가장 먼저 상용화된 연료전지이다.

 

• 고분자 전해질 연료전지

(PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cell)

고분자를 전해질로 사용하는 연료전지이며, 100℃ 이하에서 운전되며, 주로 사용되는 운전온도는 상온에서 80℃ 정도이다. 연료전지 자동차에 적용될 경우 영하의 온도에 서도 시동이 가능하도록 제작되고 있다. 연료극(Anode)에서 생산된 수소이온(H+)은 전해질을 통해서 공기극(Cathode)으로 이동하고, 공기극에서 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다, 고분자 전해질 연료 전지(PEFC)와 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol

Fuel Cell, DMFC)가 있으며, 이 두 형태의 연료전지가 모두 프로톤(Proton) 교환막을 사용하기 때문에 이 둘을 합하여 프로톤 교환막 연료전지(PEMFC : Proton Exchange

Membrane Fuel Cell)라고도 한다. 일반적으로는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)는 수소를 연료로 사용하는 경우에 가장 많이 일컬어진다.

 

• 고체 산화물 연료전지

(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)

전해질로 고체 산화물(주로 이트륨옥사이드(Y2O3)로 도핑된 지르코늄 옥사이드(ZrO2)를 많이 사용)을 사용하는 연료전지이며, 공기극에서 연료극으로 산소 음이온이 이동한다. 연료전지 중에서 가장 높은 온도(700∼1000℃)에 서 연료전지 반응이 이루어진다.

 

연료전지 발전시스템

(Fusel cell generation system)

연료전지 발전시스템은 개질기, 스택, 전력변환기로 구성된다.

1) 개질기(Reformer)

화석연료(천연가스, 메탄올, 석유 등)로 부터 수소를 발생 시키는 장치이다.

2) 스택(Stack)

원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체를 말한다.

3) 전력변환기(Inverter)

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

 

석탄가스화복합발전

(IGCC : Integrated Gasfication Conbined Cycle)

석탄을 증기 및 산소와 함께 고온․고압의 가스화기에서 불완전 연소시켜 합성가스인 일산화탄소와 수소를 제조하여 가스터빈을 구동하며, 폐열로 증기를 생산하여 증기터빈을 구동하는 복합발전 시스템을 말한다

 

 합성천연가스 (SNG : synthetic natural gas)

석유나 석탄 등을 원료로 만들어지는 가스를 말한다.

메탄이 주성분인 천연가스와 성분이 비슷하며. SNG의 S는 synthetic(합성) 또는 substitute(대체)의 뜻으로 합성천연가스 혹은 대체천연가스라 한다.

 

석탄액화기술 (CTL : Coal to Liqid)

고체상태인 석탄을 휘발유 및 디젤유 등의 액체연료로 전환시키기 위하여 고온 (430-460℃) 및 고압 (약100-280기압)의 반응조건 하에서 수소를 첨가시켜서 생성물의 수소/탄소-비를 1.5 - 2.0 정도로 증가시킴으로써 에너지 밀도가 높고 수송 및 보관이 용이한 청정 인조원유를 제조하는 기술이다. 석탄을 직접 녹여 액화시키는 직접액화기술과 가스화한 후 액화시키는 간접액화기술로 분류된다.

 

석탄가스화 (Gasification of coal)

고온에서 석탄에 산소, 수소, 공기, 수증기 등을 단독 또는 병용하여 반응시켜 수소, 일산화탄소, 메탄 등을 주성분으로 하는 합성가스를 얻는 기술로 먼지와 황산화물 등의 석탄 공해를 해결할 수 있으며, 석탄액화에 비해 기술의 안정성, 경제성 면에서 높게 평가되고 있다.

 

탄소포집저장

(CCS : Carbon Capture and Storage)

지구온난화의 원인물질인 대량의 이산화탄소가 대기에 배출되기 전에 고농도로 포집 후 압축 수송해 지층 또는 해양에 저장하는 기술이다.

 

수소에너지 (Hydrogen energy)

수소에너지기술은 물,유기물,화석연료 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리,생산해서 이용하는기술이며, 이 에너지는 원료에 자원적인 제약이 없고, 태워도 생성물은 물뿐이므로 깨끗하며 자연의 순환을 교란시키지 않고, 파이프 수송이 가능하므로 경제적이고 효율적 수송이 가능하며, 에너지 저장의 수단이 된다는 특색을 가지고 있다. 열원으로서의 이용 이외에 자동차연료, 항공기연료 등으로 이용분야가 넓다.

 

수소 스테이션 (Hydrogen station)

수소좵연료전지 차량에 연료인 수소를 충전할 수 있게 수소를 제조좵주입하는 수소충전소. 차량에 수소를 충전할 수 있게 소형의 수소 제조좵저장좵분배 장치로 구성된다.

 

셰일가스 (Shale gas)

오랜 세월동안 모래와 진흙이 쌓여 단단하게 굳은 탄화수소가 퇴적암(셰일)층에 매장되어 있는 가스를 말하며, 탄화수소가 풍부한 셰일층(근원암)에서 개발, 생산하는 천연가스를 말한다. 셰일이란 우리말로 혈암(頁岩)이라고 하며, 입자 크기가 작은 진흙이 뭉쳐져서 형성된 퇴적암의 일종으로 셰일가스는 이 혈암에서 추출되는 가스를 말하는 것이다. 전통적인 가스전과는 다른 암반층으로부터 채취하기 때문에 비전통 천연가스로 불린다. 난방ㆍ발전용으로 쓰이는 메탄 70∼90%, 석유화학 원료인 에탄 5%, LPG 제조에 쓰이는 콘덴세이트 5∼25%로 구성돼 있다. 유전이나 가스전에서 채굴하는 기존 가스와 화학적 성분이 동일해 난방용 연료나 석유화학 원료로 사용할 수 있다.