에너지 공급과 환경 문제는 현대 사회의 큰 과제 중 하나로 자리잡았습니다. 화석 연료에 의한 온실 가스 배출과 에너지 공급의 불안정성으로 인한 문제를 해결하기 위해 연료전지 기술이 주목받고 있습니다. 이번 포스팅에서는 연료전지 기술에 대해 자세히 알아보겠습니다.
연료전지의 작동 원리
연료전지는 수소와 산소 사이의 화학 반응을 이용하여 직접 전기 에너지로 변환하는 기술입니다.
이 화학 반응에서 생성된 물과 전기 에너지를 효율적으로 추출하여 전기를 생산합니다. 이러한 과정에서 발전 효율은 약 30% ~ 40%이며, 열 효율은 40% 이상으로, 총 효율은 70%~80%에 달합니다.
연료전지의 종류
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 여러 가지로 구분됩니다. 다양한 종류의 연료전지 중에서 주목할 만한 것들을 알아보겠습니다.
1. 알카리형 연료전지 (AFC: Alkaline Fuel Cell)
- 전해질: 알카리
- 동작 온도: 120℃ 이하
- 효율: 85%
- 용도: 우주발사체 전원
알카리형 연료전지는 주로 우주발사체의 전원으로 사용되며, 높은 효율과 낮은 동작 온도를 가지고 있습니다.
2. 인산형 연료전지 (PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell)
- 전해질: 인산염
- 동작 온도: 250℃ 이하
- 효율: 70%
- 용도: 중형 건물 (200㎾)
인산형 연료전지는 중형 건물의 전원으로 이용되며, 안정적인 성능과 상대적으로 낮은 동작 온도를 가지고 있습니다.
3. 용융탄산염형 연료전지 (MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)
- 전해질: 탄산염
- 동작 온도: 700℃ 이하
- 효율: 80%
- 용도: 대형 발전소, 아파트 단지, 대형 건물 (100㎾~㎿)
용융탄산염형 연료전지는 대용량 발전소부터 아파트 단지와 대형 건물의 분산형 전원 공급에 사용됩니다.
4. 고체산화물형 연료전지 (SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)
- 전해질: 세라믹
- 동작 온도: 1,200℃ 이하
- 효율: 85%
- 용도: 대형 발전소, 아파트 단지, 대형 건물 (1㎾~㎿)
고체산화물형 연료전지는 높은 효율과 고출력 밀도를 가지고 있으며, 대형 발전소부터 아파트 단지까지 다양한 용도로 사용됩니다.
5. 고분자전해질형 연료전지 (PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)
- 전해질: 이온교환막
- 동작 온도: 100℃ 이하
- 효율: 75%
- 용도: 가정용, 상업용 (1~10㎾)
고분자전해질형 연료전지는 낮은 동작 온도와 빠른 상용화 과정으로 가정용 및 상업용 전원 공급에 활발하게 연구되고 있습니다.
6. 직접메탄올연료전지 (DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)
- 전해질: 이온교환막
- 동작 온도: 100℃ 이하
- 효율: 40%
- 용도: 이동용 전자기기 (핸드폰, 노트북 등)
직접메탄올연료전지는 이동용 전자기기에 전원을 공급하는 데 사용됩니다.
시스템 구성도
연료전지 시스템은 여러 부분으로 구성되어 있으며, 핵심 부품은 다음과 같습니다.
1. 개질기 (Reformer)
- 화석 연료로부터 수소를 생성하는 장치
- 황과 일산화탄소 등 유해 물질의 제거와 시스템 효율 향상을 위한 핵심 기술을 포함
2. 스택 (Stack)
- 단위 전지를 쌓아 올려 전기 출력을 얻는 핵심 부품
- 단위 전지의 제조, 적층 및 밀봉, 수소 공급과 열 회수를 위한 분리판 설계와 제작이 중요한 기술
3. 전력 변환기 (Inverter)
- 직류 전기를 교류로 변환하는 장치
- 연료전지에서 생성된 전기를 실제 사용 가능한 교류로 변환
4. 주변 보조기기 (BOP: Balance of Plant)
- 연료, 공기, 열 회수 등을 관리하는 부속 장치
- 연료전지 특성에 맞는 기술이 더 개발되어야 함
각 연료전지 발전 현황
1. 알카리형 연료전지 (AFC)
1960년대에 군사 용도로 개발되었으며 주로 우주선에 사용됩니다.
2. 인산형 연료전지 (PAFC)
1970년대에 민간에서 처음 개발되었으며 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 사용됩니다.
3. 용융탄산염형 연료전지 (MCFC)
1980년대에 개발되었으며 대형 발전소부터 아파트 단지와 대형 건물의 분산형 전원 공급에 사용됩니다.
4. 고체산화물형 연료전지 (SOFC)
1980년대에 본격적으로 개발되었으며, MCFC보다 효율이 높은 연료전지로 다양한 용도로 사용됩니다.
5. 고분자전해질형 연료전지 (PEMFC)
1990년대에 개발되었으며 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 활발하게 연구 및 개발 중입니다.
6. 직접메탄올연료전지 (DMFC)
1990년대 말부터 개발되었으며 이동용 전자기기에 사용됩니다.
마무리
연료전지 기술은 깨끗한 에너지를 공급하고 환경을 보호하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다. 다양한 종류의 연료전지가 연구되고 있으며, 각각의 특징과 용도에 맞게 발전해 나가고 있습니다. 앞으로 연료전지 기술의 더욱 발전된 모습을 기대해봅니다.