[수소] 수소연료전지의 종류

 

 

 

 

수소연료전지의 종류

 

 

 

수소 연료전지 개요

수소 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 이용하여 연소과정 없이 전기를 생산하는 발전 장치로, 환경오염물질의 배출 없이 전기와 열을 동시에 생산할 수 있는 고효율 친환경 에너지원이다.

 

 

 

수소연료전지 원리

 

 

연료전지는 전해질, 연료, 작동온도 그리고 촉매 등에 따라 다양한 종류가 있다.

 

인산형 연료전지(PAFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류되며, 각 연료전지는 고유의 특성에 따라 발전용, 가정/건물용, 수송용, 휴대용 등으로 분류되어 활용되고 있다.

 

 

수소 연료전지의 종류

 

구분	저온형 연료전지			고온형 연료전지
	고분자전해질 연료전지 (PEMFC)	인산형 연료전지 (PAFC)	직접메탄올 연료전지 (DMFC)	용융탄산염 연료전지 (MCFC)	고체산화물 연료전지(SOFC)
전해질	고분자막	인산염	고분자 전해질	용융탄산염	고체산화물
작동온도	50~100℃	150~250℃	50~100℃	650℃	600~900℃
주 촉매	백금	백금	백금	니켈	니켈
전기효율	< 40%	40~45%	< 40%	45~60%	50~60%
주용도	수송용 휴대용	발전용 가정/건물용	노트북, 모바일 기기	발전용 가정/건물용	발전용 가정/건물용

 

 

[연료전지 적용 분야]

 

분야	휴대용	건물용	수송용	발전용
	50W 이하	1~10 KW	80~200 KW	205 KW 이상
연료전지	PEMFC			MCFC
	DMFC	SOFC
				PAFC

 

 

▶ 고분자 전해질막 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)

 

고분자 막 을 전해질로 사용하는 연료전지로서 1955년 미국에서 처음으로 개발되어 1962년에 1kW급 셀스택 2개로 이루어진 모듈이 Gemini 우주선 3호부터 12호까지 사용되었다.

 

다른 종 류의 연료전지에 비하여 전류밀도가 높고 80℃미만의 상온에서 작동되며 구조가 간단하다.

 

또한 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성 및 소형화가 쉬운 구조를 가지고 있어 휴대용, 가정용, 건물용, 그리고 수송용 등 그 응용범위가 매우 다양하다.

 

 

▶ 인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)

 

1970년대 민간차원에서 처음으로 개 발된 연료전지로 인산을 전해질로 사용하며, 주로 대형병원 및 호텔의 분산형전원용으로 개 발되었다.

 

저온 유형으로 분류되는 연료전지 중 고분자 전해질막에 비해 비교적 높은 온 도에서(약 200℃) 가동되어 상대적으로 효율이 높으며, 고온형 연료전지보다 제작 및 취급이 용이한 장점이 있다.

 

인산형 연료전지는 주로 발전용으로 사용되지만 요즘에는 대형 건 물 및 에너지 다소비 건물에 적용되어 건물용으로도 그 활용도가 높아지고 있다.

 

 

▶ 직접메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)

 

고분자 전해질막 연료전지 (PEMFC)와 동일한 구성요소를 사용하지만, 연료처리장치(연료를 수소로 변환하는 장치)없 이 메탄올(액체)을 직접 사용할 수 있기 때문에 연료의 공급이 용이하고 시스템의 소형화가 가능하다.

 

또한 PEMFC에 비해 출력밀도는 낮지만 2차전지에 비해서는 높은 출력밀도를 갖기 때문에 2차전지를 대체할 수 있는 가능성이 매우 높다.

 

 

▶ 용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)

 

용융탄산염을 전해질로 사용하 는 연료전지로서 650℃의 고온에서 운전되기 때문에 저렴한 촉매(니켈)를 사용할 수 있어 시 스템 단가를 낮추는데 유리하다.

 

또한 다른 종류의 연료전지에서는독성물질로 작용하는 일산화탄소도 연료로 이용할 수 있기 때문에 석탄가스 및 바이오매스 등 다양한 연료를 사용 할 수 있다.

 

 

▶ 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)

 

고체산화물을 전해질로 사용하며 연료 전지 중 작동온도(700~1000℃)가 가장 높습니다. 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 구조가 단순하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다.

 

고온에서 작동하 기 때문에 내부개질 방식을 사용하여 연료(수소)공급이 가능하고 백금 등의 귀금속 촉매를 사용하지 않는다.

 

우리나라뿐 만 아니라 미국, 일본 등선진국을 중심으로 활발히 연구개발 이 이루어지고 있다.

 

 

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산업 전망

 

2019년 1월에 발표된 정부의 '수소경제 활성화 로드맵'에 따르면 발전용 연료전지의 설치 규모는 2022년까지 1.5GW, 2040년까지 15GW로 확대, 가정 및 건물용 연료전지 설치 규모는 2022년까지 50MW, 2040년까지 2.1GW로 확대하는 것을 목표로 하고 있다. 

 

정부는 로드맵 보급목표의 달성을 위하여 2020년 10월 수소경제위원회에서 수소경제 기본계획 수립 시 발전용 연료전지의 중장기 및 연도별 보급목표를 설정하고, 현행 신재생에너지 공급의무화제도(RPS)에서 발전용 연료전지를 분리한 수소발전 의무화제도(HPS, Hydrogen Energy Portfolio Standard)를 2022년부터 시행하기로 하는 등 구체적인 이행 계획을 추진하고 있어 향후 발전용 연료전지 시장은 지속적인 성장세를 보일 것으로 예상된다.

 

 

 

 

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