연료전지란?
연료전지(Fuel Cell)는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 직접 생산하는 발전 장치입니다. 일반 배터리와 달리 연료(주로 수소)를 지속적으로 공급하면 계속해서 전기를 만들어낼 수 있습니다.
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/fuel-cell-system
기본 작동 원리
연료전지는 세 가지 주요 구성요소로 이루어져 있습니다:
a.)양극(Anode, 음극): 수소가 공급되는 곳으로, 수소 분자가 전자와 수소 이온(양성자)으로 분리됩니다.
b.) 전해질(Electrolyte): 양극과 음극 사이에 위치하며, 수소 이온만 통과시키고 전자는 차단합니다.
c.) 음극(Cathode, 양극): 산소가 공급되는 곳으로, 전자와 수소 이온이 산소와 결합하여 물을 생성합니다.
전기 생성 과정
a.) 양극에서: 수소 분자(H₂)가 촉매(백금 등)를 만나 전자(e⁻)와 수소 이온(H⁺)으로 분리됩니다.
2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
b.) 전자의 이동: 전자는 전해질을 통과할 수 없어 외부 회로를 통해 이동하며, 이것이 전기가 됩니다
c.) 음극에서: 산소(O₂)가 외부 회로를 통해 온 전자, 그리고 전해질을 통과한 수소 이온과 결합하여 물(H₂O)을 생성합니다
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
연료전지의 주요 특징
친환경성: 부산물로 물과 열만 발생하며, 온실가스나 대기오염물질을 배출하지 않습니다.
높은 효율: 화학에너지를 직접 전기로 변환하므로, 기존 내연기관(30-40%)보다 높은 효율(40-60%)을 가집니다.
조용한 작동: 기계적 움직임이 거의 없어 소음이 매우 적습니다.
다양한 규모: 소형(휴대용 기기)부터 대형(발전소)까지 다양한 크기로 제작 가능합니다.
연료전지의 Type 별 특징
연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 크게 5가지로 분류됩니다. 각각의 작동 온도, 효율, 용도가 다릅니다.
1. 고분자전해질 연료전지 (PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)
a.) 주요 특징
작동 온도: 60-80°C (저온)
전해질: 고분자 막 (Nafion 등)
효율: 40-60%
출력 밀도: 매우 높음
b.) 장점
빠른 시동 (수 초 이내), 낮은 작동 온도로 안전성 우수
높은 전력 밀도, 부하 변동에 빠른 응답
c.)단점
고가의 백금 촉매 필요, 순수한 수소 필요 (CO에 민감)
물 관리 필요 백금 촉매의 일산화탄소 피독 현상
d.) 주요 용도
수소전기차 (가장 많이 사용)
소형 이동형 전원
가정용 소형 발전기
휴대용 전자기기
2. 직접메탄올 연료전지 (DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)
a.) 주요 특징
작동 온도: 60-120°C
전해질: 고분자 막
연료: 메탄올 직접 사용
효율: 20-30%
b.) 장점
수소 저장 문제 해결 (액체 메탄올 사용), 간단한 시스템 구조
연료 보충이 용이, PEMFC와 유사한 구조
c.) 단점
낮은 효율, 메탄올의 독성
메탄올 크로스오버 현象 (막을 통한 누출)
출력 밀도가 PEMFC보다 낮음
d.) 주요 용도
휴대용 전자기기 (노트북, 스마트폰)
소형 이동형 발전기
군사용 전원
원격지 전원
3. 인산형 연료전지 (PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell)
a.) 주요 특징
작동 온도: 150-200°C (중온)
전해질: 인산 (H₃PO₄)
효율: 40-45% (전기), 85% (열병합)
수명: 40,000시간 이상
b.) 장점
CO 허용도 높음 (1-2%), 기술적으로 가장 성숙
장기 내구성 입증, 열병합 발전 가능
c.) 단점
부피가 크고 무거움
백금 촉매 필요, 전해질 관리 필요
느린 시동 시간
d.) 주요 용도
상업용 건물 발전 (200kW급)
병원, 호텔 등 열병합 발전
분산형 발전소
최초로 상용화된 연료전지
4. 용융탄산염 연료전지 (MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)
a.) 주요 특징
작동 온도: 600-700°C (고온)
전해질: 용융 탄산염 (Li₂CO₃, K₂CO₃)
효율: 50-60% (전기), 85% (열병합)
출력: 수백 kW ~ MW급
b.) 장점
귀금속 촉매 불필요 (니켈 촉매)
내부 개질 가능 (천연가스 직접 사용)
높은 효율, CO₂ 포집 가능
다양한 연료 사용 가능
c.)단점
높은 작동 온도로 시동 시간 길음 (수 시간)
전해질 부식 문제, 복잡한 열관리
부하 변동 대응 어려움
d.) 주요 용도
중대형 발전소 (MW급)
산업용 분산 발전
폐기물 매립지 발전
병원, 공장 등 열병합 발전
5. 고체산화물 연료전지 (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)
a.) 주요 특징
작동 온도: 700-1,000°C (초고온)
전해질: 세라믹 (YSZ: Yttria-Stabilized Zirconia)
효율: 60-65% (전기), 85% (열병합)
출력: kW ~ MW급
b.) 장점
가장 높은 효율, 귀금속 촉매 불필요
다양한 연료 사용 (수소, 천연가스, 바이오가스)
내부 개질 가능, 고품질 폐열 활용
CO와 CO₂에 무관
c.) 단점
매우 높은 작동 온도
긴 시동 시간 (수 시간~1일)
열충격에 취약한 세라믹 재료
열팽창 계수 차이로 인한 균열
고온 밀봉 기술 필요
d.) 주요 용도
대형 발전소 (MW급)
산업용 고정형 발전
선박 보조 전원
차세대 항공기 전원 (연구 중)
가정용 열병합 발전 (소형 SOFC)