[수소] 수소연료전지의 원리와 장점

 

 

 

 

수소연료 전지는 1959년 아폴로 우주선의 동력원으로 사용되었다. 1990년대 이후에는 온실가스 감축효과로 주목받는 친환경고효율 에너지원이다.

 

 

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수소연료전지의 원리

 

 

수소연료전지는 산소와 수소의 전기화학반응으로 전기와 열을 생산하는 '최적의 분산발전원'이다.

 

연료전지는 기존의 내연기관과 달리 연소를 통해 전기를 얻는 것이 아니라, 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 얻고 동시에 물과 열만을 생산한다. 

 

배터리와 유사하게 동작을 하지만 배터리가 전기를 저장하는 장치라면 연료전지는 전기를 생산하는 발전기이다.

 

배터리는 내부에 저장된 화학물질을 전기로 전환시키고, 화학물질이 고갈되면 수명이 다하거나 오랜 충전시간이 필요하지만, 연료전지는 외부에서 연료를 공급받아 전기를 생산하기에 충전시간이 빠르고 연료가 허락하는 한 무한대로 전력을 생산할 수 있다.

 

 

수소연료전지 (출처 : 두산퓨얼셀)

 

 

연료의 화학적 에너지를 전기와 열에너지로 변환시키는 에너지 전환장치이며 수소와 산소를 반응시키면 전기가 생산된다.

 

A	연료극 (ANODE)	수소는 연료극으로 투입되어 촉매에 의해 수소양이온과 전자로 분리됨
B	전해질 (ELECTROLYTE)	이온만 통과시키는 물질로 수소 이온은 연료극에서 전해질을 통과하여 공기극으로 이동
C	공기극 (CATHODE)	전해질을 통과한 수소양이온과 공기극으로 투입된 산소가  촉매에 의해 서로 결합해 물이 생성
D	전기 (ELECTRICITY)	전자가 외부의 회로를 통해 이동하며 전기를 생성

 

 

모든 연료전지는 전해질층으로 분리된 연료극과 공기극을 가지고 있는데 연료극에서 수소가 수소 이온과 전자로 나누어진다. 전해질의 고분자 막은 수소 이온만을 통과시키고, 막 안쪽의 음극에는 전자가 남게 된다. 

 

수소 이온은 공기극의 산소와 결합하여 물이 되고, 이 양극 사이의 전위차에 의해 전류가 발생한다.

 

 

수소연료전지의 원리

 

 

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수소 연료전지의 장점

 

 

▶ PC모니터 보다 낮은 전자파

 

연료전지에서 발생하는 전자파는 국내 전계 안전 기준치의 2.89% 수준, 자계 안전 기준치의 0.036% 수준이다.

 

 

▶ 낮은 소음

 

수소연료전지의 소음은 자동차 시동음 수준으로 일반 발전소보다 훨씬 낮은 수준이다. 35m 떨어진 곳에서 약 55dB로 자동차 시동 소음과 비슷한 수준이다.

 

 

▶ 제로 대기 오염물질

 

대기환경오염의 주범인 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등 유해가스 등이 수소 연료전지에서는 거의 배출되지 않는다.

 

 

 

대기환경기준이 세계에서 가장 엄격한 미국 캘리포니아의 인증을 받은 친환경 발전원이다.

 

 

[유해가스 배출 농도]

(단위 : /ppm)

	수소연료전지	가스엔진	가스터빈	디젤
질소산화물(NOx)	1~2	100이하	42이하	1400이상
황산화물(SOx)	거의 0			250

 

 

▶ 미세먼지 제거

 

수소연료전지로 발전을 하면 미세먼지 문제도 해결할 수 있다. 연료전지 1MW는 성인 약 1만명 이상이 호흡할 수 있는 공기를 흡입하여 미세먼지, 초미세먼지, 불순물을 걸러 깨끗한 공기를 cell에 공급하기 때문이다.

 

수소연료전지가 석탄발전소를 대체함에 따라 미세먼지 발생이 감소하게 된다.

 

 

▶ 악취, 오·폐수 무배출

 

천연가스에서 수소를 추출할 때 악취가 난다는 것을 사실이 아니다. 또한 연료전지는 부산물로 물이 생성되며, 오폐수 배출이 없다.

 

 

▶ 안전성

 

원료전지 스택 내부 발전 과정에서 높은 압력과 연소반응을 필요로 하지 않기 때문에 폭발과 화재 위험이 없는 안전한 기술이다.

 

또한 국제기준을 넘어서는 설계 기준과 검사 및 인증을 통해 최고 수준의 안전성을 달성하였으며, 오랜 기간 상업운전으로 증명이 되었다.

 

(두산퓨얼셀 연료전지 기준)

Zero	3 Steps	100% >
◦ 비연소 발전 방식이기 때문에 화재 위험이 없음 ◦ 상압상태로 연료를 공급·처리하며 저장되는 연료가 없어 폭발 위험성이 없음	[1단계] 가스 누출 원천 봉쇄 [2단계] 실시간 가스농도 감시 [3단계] 가스 누출시 연료전지 자동정지 시스템	◦ 국내 안전기준 충족 ◦ 미국, 캐나다 안전기준 충족 ◦ 미국 환경인증 획득

 

 

▶ 높은 에너지 효율 

 

연료전지는 기존 내연기관대비 2~3배 가량 더 효율적이다. 연료전지는 열과 전기를 모두 발생시키는데 종류에 따라 차이가 있지만 전력생산효율의 경우 30~60%선이며, 열효율까지 고려하면 총 80% 가량의 효율을 보인다.

 

두산퓨얼셀 연료전지 경우, 보조연료 없이 수소로만 전기와 열을 생산할 수 있는  유일한 상용화된 고효율 열병합발전기 기술을 실현하였으며, 천연가스 사용시에도 기존 발전기 대비 효율이 높다.

 

	두산 퓨얼셀 연료전지	가스엔진	마이크로터빈
열	47%	51%	39%
전기	43%	37%	31%
	90%	88%	70%

(두산퓨얼셀 연료전지 기준)

 

 

▶ 다목적성 

 

연료전지는 용량조절이 가능하여 밀리와트에서 메가와트까지 사용 가능하므로 휴대전화부터 자동차까지 다양한 어플리케이션에 적용 가능하다.

 

 

▶ 상호보완성 

 

연료전지는 다른 에너지 기술과 쉽게 결합 가능하다. 풍력 터빈, 태양광 판넬, 고용량 축전기 등과 결합하여 시너지 효과를 낼수 있다.

 

 

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수소 연료전지의 사회적 가치

 

 

두산퓨얼셀의 연료전지 에너지가 창출하는 사회적 가치는 1MWh 기준 약 16만원으로 산출되었다.

 

특히 친환경 에너지로 대기오염 개선, 온실가스 저감, 미세먼지 제거 등을 종합하면 2018년 한해 동안 약 900억원의 사회적 가치를 창출한 것으로 추산된다.

 

 

연료전지 1MWh 기준 창출되는 사회적 가치

 

구분	창출 가치 (원/MWh)	내용	총 창출 가치(억원/비중)
창출	111,845	◦ 미세먼지 제거 ◦ 열생산 ◦ 연료전지 생태계 조성	609	68%
제거	35,969	◦ 송배전 투자, 손실 회피 ◦ 용수 사용 회피 ◦ 정전손실 회피	196	22%
개선	11,628	◦ 대기오염 개선 ◦ 온실가스 저감	95	10%
합계	159,442		900

출처 : 두산 CSR보고서(2018)

 

 

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수소연료전지 설치 사례  

 

 

국내	여의도 파크원타워	◦ 2 Units (총 0.9MW) ◦ 파크원 타워 지하
	대산그린에너지	◦ 114 Units (50.16MW) ◦ 세계 최초·최대부생수소연료전지 발전소
	분당 수소연료전지발전소(2~5단계)	◦ 71 Units (32.24MW) ◦ 국내 최초 수소연료전지 발전소 ◦ 세계 최초 복층 연료전지 발전소
해외	뉴욕 원월드트레이드센터	◦ 6 Units (2.4MW)
	산업·방송시설	◦ 코카콜라 공장 (0.8MW) ◦ 버라이존 (8.7MW) ◦ Pratt & Whitney (미국 항공기 엔진 제조사) ◦ Aerojet(미국 로켓 및 미사일 추진 제조사) ◦ CBS방송국
	교육·의료시설	◦ 캘리포니아대학교 ◦ 셀턴고등학교 ◦ Saint Francis 병원 ◦ St. Helena 병원 등

(두산퓨얼셀 사례)

 

 

 

 

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