액체수소는 에너지가 됩니다. 연료전지에 대하여

 

신재생 에너지의 한 종류인 연료전지는 저탄소 경제로의 전환에 필수적인 요소 중 하나이다. 연료전지는 온실가스 배출을 줄이고 보다 지속 가능한 에너지 시스템으로 전환하는 데 중요한 기술이다. 또한 상당한 잠재력을 가진 에너지원으로 많은 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 이번에는 이런 연료 전지에 대해서 연료전지가 만들어지는 과정과 활용 분야, 그리고 연료전지의 장단점에 대해서 알아보자.

연료전지가 만들어지는 과정

연료전지는 전기분해라는 과정을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 액체 수소(LH2)는 연료 전지에 사용되는 일반적인 연료이다. 그럼 어떻게 액체 수소가 연료전지가 되는지 그 과정과 작동 원리에 대해서 알아보자. 액체 수소를 사용하여 연료 전지를 만드는 첫 번째 단계는 수소 액화의 과정에서 시작한다. 수소 가스가 액체로 응축될 때까지 -253°C(-423.67°F)로 냉각하는 과정을 거쳐 액체 수소가 생성되며 생성된 액체 수소는 저장 탱크에 저장하여 사용되게 된다. 이제 연료전지를 구성하는 구성품에 대해서 알아보자. 연료 전지는 연료 전지 스택, 전극, 전해질 및 촉매를 포함한 여러 구성 요소로 이루어져 있다. 연료 전지 스택은 각각 양극(음극), 음극(양극), 전해질을 포함하는 여러 개의 개별 셀로 구성된다. 양극과 음극은 전해질로 분리되어 있으며, 전해질은 양극과 음극 사이에 이온이 흐르도록 한다. 촉매는 연료 전지에서 일어나는 화학반응을 가속화하는 데 사용된다. 다음은 LH2가 연료 전지의 연료로 사용되기 위해서 먼저 수소 펌프를 통과하여 고압으로 압축한다. 그다음 고압의 수소가 연료 전지 스택으로 공급되어 양극 촉매와 반응하여 수소 이온과 전자를 생성하고 수소 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동하고 전자는 외부 회로를 통해 음극에 도달하도록 강제 이동하게 된다. 외부 회로를 통한 전자의 흐름은 전류를 생성하여 장치에 전원을 공급하거나 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있다. 연료 전지에서 수소와 산소의 반응은 전기, 열, 물을 생성한다. 연료 전지의 전기 출력은 연료 전지 스택의 크기와 셀 수에 따라 달라진다. 연료 전지에서 생성된 열은 난방 또는 냉방 용도로 사용할 수도 있다. 반응으로 생성된 물은 환경에 유해한 영향을 미치지 않고 사용하거나 폐기할 수 있는 깨끗한 부산물이다.

 

요약하면, 액체 수소를 사용하여 연료전지를 만들려면 LH2에서 수소 가스를 생산하고, 연료전지 부품을 조립하고, 고압의 수소를 연료전지 스택에 통과시켜 전기, 열, 물을 생성한다. 이 공정은 유해한 배출물을 생성하지 않고 깨끗한 연료 공급원을 사용하기 때문에 환경 친화적인 에너지원이라 할 수 있다.

 

 

연료전지의 활용분야

연료 전지는 다양한 산업과 응용 분야에서 기존 에너지원의 대안으로 활용되고 있다. 다음은 연료 전지의 활용 분야와 활용 방법에 대해서 알아보자. 먼저 연료 전지는 자동차, 버스, 기차 및 보트를 포함한 차량에 동력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 연료전지 차량(FCV)은 배기가스를 전혀 배출하지 않고 주행 거리가 길기 때문에 가솔린 및 디젤 차량의 대안으로 점점 인기를 얻고 있다. 현대자동차, 도요타, 혼다를 비롯한 여러 자동차 제조업체가 이미 연료전지차를 시장에 진출해있다. 그리고 연료 전지는 지게차, 통신 타워의 백업 전력, 분산 발전 시스템 등 다양한 산업 분야에서 사용할 수 있다. 지게차 산업에서 연료 전지는 보다 효율적이고 지속 가능한 에너지원으로 납축 배터리를 대체하고 있다. 그리고 연료 전지는 주거용 애플리케이션에서 열과 전기를 공급하는 데 사용할 수 있다. 연료전지 마이크로 열병합발전(CHP) 시스템은 천연가스를 연료로 사용하여 가정용 전기와 온수를 생산할 수 있다. 이러한 시스템은 에너지 비용과 탄소 배출을 줄이기 위한 방법으로 유럽과 일본에서 점점 인기를 얻고 있다. 또한 연료 전지는 전력망에 대한 접근이 제한적이거나 존재하지 않는 원격 위치에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있다. 여기에는 독립형 주택, 군사 기지, 재난 구호 현장 등이 포함된다. 연료전지 발전 시스템은 안정적이고 효율적이며 LH2, 천연가스, 바이오가스 등 다양한 연료로 작동할 수 있기 때문에 원격 전력 애플리케이션에 이상적이라 할 수 있다. 그 외에도 연료 전지는 건물, 데이터 센터 및 기타 중요 인프라의 백업 전원으로 사용할 수 있다. 연료전지 백업 전력 시스템은 정전이나 기타 비상 상황 발생 시 안정적이고 지속적인 전력을 공급할 수 있으며 기존 백업 발전기보다 더 조용하고 깨끗하다.

 

이렇듯 연료 전지는 다양한 산업과 응용 분야에서 활용될 수 있는 다재다능하고 지속 가능한 에너지원이다. 연료전지는 효율성, 신뢰성, 환경적 이점으로 인해 기존 에너지원의 대안으로 점점 인기를 얻고 있으며 기술이 계속 발전함에 따라 연료 전지의 사용은 앞으로도 계속 증가할 것으로 예상된다.

 

 

연료전지의 장단점

연료전지는 친환경적이고 현재의 에너지원을 대체하기에 충분한 장점을 가지고 있지만 단점도 분명 존재한다. 이번에는 연료전지의 장단점에 대해서 알아보자. 먼저 장점으로 연료 전지는 수소와 산소를 결합하여 전기를 생산하여 유일한 부산물로 수증기가 생성된다. 이렇게 연료 전지는 깨끗하고 환경 친화적인 에너지원 중의 하나이다. 그리고 연료 전지는 연료에 포함된 에너지의 최대 60%를 사용 가능한 전기로 변환할 수 있어 내연기관보다 효율이 높다. 연료 전지는 수소, 천연가스, 바이오가스 등 다양한 연료로 작동하도록 설계할 수 있어 다양한 에너지원을 이용할 수 있고 많은 애플리케이션에 적용할 수 있다. 그 외에도 연료 전지는 기계적인 운동을 하는 부품이 없어 고장 위험이 적고 수명이 길며, 조용하게 작동하여 소음 공해가 우려되는 주거 및 상업용 애플리케이션에서 사용하기에 적합하다.

 

연료전지의 단점으로는 기존 에너지원에 비해 여전히 상대적으로 비싸며, 연료 전지 구성품의 가격이 연료 전지의 광범위한 채택을 가로막는 장벽이 될 수 있다. 그리고 수소를 생산, 운송, 저장하기 위한 인프라는 여전히 제한적이어서 연료전지 사용을 확대하는 데 가장 큰 어려움이 되고 있다. 연료 전지는 내구성이 뛰어나지만 연료의 불순물에 민감할 수 있으며 장기적인 성능을 보장하기 위해 세심한 유지 관리를 해야 한다. 또한 연료전지 차량의 경우 수소 탱크의 저장 용량 제한으로 주행 가능 거리가 내연기관 차량에 비해 상대적으로 짧은 것도 해결해야 할 과제이다.

 

연료 전지는 청정 에너지, 고효율, 다용도성, 내구성, 조용한 작동 등 여러 가지 장점을 제공하지만 비용, 인프라 제한, 내구성, 제한된 범위 등 몇 가지 단점도 있다. 기술이 계속 발전함에 따라 연료전지의 장점은 더욱 커지고 단점은 해결되어 더욱 광범위하게 연료전지가 활용될 수 있을 것이라 생각한다.

 

연료전지의 미래는 연구 개발에 대한 지속적인 투자, 기술 개선, 운송과 다양한 전력 애플리케이션에서의 채택 증가로 인해 밝다고 할 수 있다. 아직은 비용과 인프라의 한계 등 해결해야 할 과제도 분명 남아 있지만, 연료전지의 잠재적인 이점으로 인해 향후 몇 년간 주목해야 할 중요한 기술이 될 것이다.

 

2023.02.24 - [산업 기술] - 재생 에너지, 자연으로부터 에너지를 얻다. (태양광, 풍력, 수력 발전)

재생 에너지, 자연으로부터 에너지를 얻다. (태양광, 풍력, 수력 발전)

 

2023.02.25 - [산업 기술] - 우주의 힘으로 에너지를 생성하다. 핵융합 발전에 대하여

우주의 힘으로 에너지를 생성하다. 핵융합 발전에 대하여

 

2023.02.26 - [산업 기술] - 원자력 발전의 장단점과 활용분야 살펴보기

원자력 발전의 장단점과 활용분야 살펴보기