연료 전지의 종류와 구조

●연료 전지(수소)의 종류와 구조

 

◆연료 전지(수소)의 원리

 

연료 전지는 물의 전기 분해와 반대의 반응을 발생시킴으로써 전기를 생산할 수있는 발전 설비 중 하나입니다.

물을 전기분해하면 수소와 산소가 생성되지만, 반대로 수소와 산소가 화학반응을 일으키면 발전한다. 이 구조를 이용한 것을 「연료 전지」라고 부른다. 연료 전지에 공급된 수소는 공기 중의 산소와 반응하여 열과 물이 된다. 또한 전해질로 플러스극과 마이너스극에 이온이 분리함으로써, 전기를 동시에 낳을 수 있다.

 

연료 전지는 수소와 산소를 이용한 발전 설비이며, 연료로서 수소를 사용한다. 연료전지에 순수한 '수소'만을 공급할 수 있으면 전력을 생산할 때 방출되는 것은 '열'과 '물'뿐이며 가솔린이나 경유 등 화석연료를 연소시키는 발전방식과 비교하여 배출한다 유해가스에는 큰 차이가 있다. SOx나 NOx, 스스 등을 방출하지 않기 때문에 '깨끗한 발전 설비'로 기대되고 있다.

 

종래부터 사용되고 있는 경유나 중유를 이용한 내연발전 설비에 설치되어 있는 것과 같은 「엔진」이나 「터빈」 등의 연소 기구가 존재하지 않기 때문에, 진동이나 소음, 환경 오염을 작게 억제할 수 있다는 이점 도 있다. 연료전지는 환경에 유해한 물질을 발생시키지 않는 깨끗한 발전설비로서 향후 연구개발이 기대되고 있다.

 

수소 버스

 

 

◆연료전지의 종류와 특징

연료전지에는 '고체 고분자형(PEFC)', '인산형(PAFC)', '용융 탄산염형(MCFC)', '고체 산화물형(SOFC)'의 4종류가 있다. 가정용으로 사용되는 연료 전지는 고체 고분자형이며, 운전 온도는 비교적 저온인 80℃ 전후, 효율 40% 정도, 용량 규모는 수kW 내지 50kW 정도이다.

 

업무용이나 공업용으로 사용되는 연료전지는 인산형 연료전지이며, 운전온도는 200℃ 전후와 비교적 낮아 효율은 가정용과 거의 동등하고 40% 정도를 확보하고 있다. 전지의 용량 규모는 50kW에서 1,000kW까지 대응할 수 있다.

 

연료전지 설비의 주요 구성기기는 LP가스 등에서 수소를 꺼내는 연료처리장치, 연료전지와 공기를 반응시켜 전기를 만드는 장치, 발전된 직류전원을 교류로 변환하고, 또한 전원을 안정화시킨다. 파워 컨디셔너, 배열을 회수하는 장치 등을 조합하여 구성된다.

 

▲고체 고분자형(PEFC) 연료 전지

도시가스나 LPG를 주원료로 한 연료전지로 수소를 작동기체로 하고 있다. 「연료극」 「개체 고분자막」 「공기극」이라고 불리는 3개의 부위로 구성되어 있다. 상온~90℃의 비교적 낮은 온도에서 작동하는 연료전지 시스템으로, 50kW 이하의 소규모 시스템의 구축이 용이하기 때문에, 자동차나 가정용의 연료 전지로서 실용화되고 있는 시스템이다.

 

연료로서 공급되는 수소는 연료극의 촉매를 이용하여 「수소 이온」과 「전자」로 분해된다. 고체 고분자막은 이온만을 통과시키는 성질이 있기 때문에, 분해된 전자는 고체 고분자막 이외의 경로로 공기극으로 이동하고, 이 전자의 이동에 의해 전류가 흐른다. 전해질이나 전극 등, 전지를 구성하는 재료에는 전기 저항이 있기 때문에, 전류의 흐름에 의해 발열을 수반한다.

 

고체 고분자막으로부터 빠진 수소 이온은 공기극에서 산소와 전자와 함께 결합하여 온수가 되어 배출된다. 이 온수를 열로서 회수하면, 코 제너레이션 시스템이 성립하여, 높은 종합 효율을 얻을 수 있다. 가정용 열병합 발전의 운전 방식은 「열을 제어하고, 전력의 발생을 제어하지 않는다」방식이 되기 때문에 「열주전종」의 운용이 된다.

 

연료가 되는 수소 그 자체는 자연으로부터 꺼낼 수 없기 때문에, 기존의 연료를 「개질」하여 수소를 꺼내는 공정이 필요하다. 개질이 가능한 연료로서 대표적인 것은 '도시가스', '메탄올', '가솔린' 등 일반적인 보급된 연료자원을 사용할 수 있다.

 

도시가스는 일부 프로판가스를 사용하고 있는 지역을 제외하고 도시부이면 인프라로서 정비되어 있기 때문에 안정된 공급이 예상될 수 있는 연료자원이다. 도시가스를 개질하면 이산화탄소를 발생시킨다는 단점이 있지만 발전과 열공급을 동시에 수행하는 에네팜의 시스템이면 매우 높은 종합효율을 얻을 수 있기 때문에 가스회사를 주체로 하여 연료전지의 개발과 생산이 진행되고 있다.

 

촉매로서 사용하고 있는 백금은 일산화탄소에 노출되면 촉매 효과가 손실된다는 성질이 있기 때문에 천연가스를 사용한 시스템의 경우 일산화탄소를 제거해야 한다고 한다.

 

가솔린에서도 수소를 꺼내는 것이 가능하고, 개질에 의해 수소를 꺼내 연료전지에 공급하는 시스템을, 이미 존재하고 있는 가솔린 스탠드에 정비하면, 가솔린을 보급할 뿐만 아니라, 수소도 보급할 수 있다 "수소 스테이션"으로서 활용하는 것도 가능하다.

 

PEFC는 상온에서 가동되는 것이 최대의 이점이며, 가정용 전기 기기로서 안전성이 높은 시스템을 조립할 수 있다. 에네팜과의 시스템으로서 PEFC와 SOFC의 2종류가 보급되고 있지만, PEFC는 효율이 낮지만 배열 회수 효율이 높다고 여겨지고 있다.

 

 

▲인산형(PAFC) 연료전지

PEFC와 마찬가지로 도시가스나 LPG를 주원료로 한 연료전지로 개질에 의해 발생한 수소를 작동기체로 한 시스템이다. PEFC보다 작동온도가 높고 180~200℃의 고온에서 운전하기 때문에 공장 등 업무시설에서의 사용이 일반적이며 가정용으로는 보급되어 있지 않다.

 

PEFC보다 에너지 효율이 양호하고 발전 효율을 40% 이상으로 높일 수 있기 때문에 열교환을 포함한 종합 효율은 90%를 넘기 때문에 에너지 자원의 유효 이용이 가능하다.

 

인산형 연료 전지는, 전해질로서 고농도의 「인산」을 세퍼레이터에 포함시킴으로써 발전 효율을 높여, 도시 가스나 메탄올, 프로판 가스 등, 연료의 다양성을 높인 것이다. 국내에서는 후지전기가 40,000시간 이상의 장시간 운전이 가능한 인산형 연료전지를 빠르게 생산해 오피스 빌딩이나 공장 등 각종 업무 시설에서 업무용 코제네레이션 시스템으로 가동하고 있다.

 

▲용융탄산염형(MCFC) 연료전지

도시가스나 LPG, 석탄을 주원료로 한 연료전지로, 수소뿐만 아니라 메탄올이나 나프타, 석탄가스의 탄산가스를 작동기체로 하고 있다. 작동 온도는 PEFC나 PAFA에 비해 매우 높고, 600~700℃의 고온에서 작동하는 시스템이다.

 

전해질은 "Li-Na / K 탄산염"을 사용하고 있으며 촉매도 백금이 아닌 니켈을 사용하기 때문에 일산화탄소에 의한 피독의 걱정이 없다. 이산화탄소의 재활용이나 백금 촉매로는 불가능했던 일산화탄소를 포함한 배기 가스의 재연료화가 가능하기 때문에 많은 이산화탄소를 배출하는 전력회사 등에서의 활용이 기대되고 있다.

 

▲고체 산화물 형태(SOFC) 연료 전지

MCFC와 마찬가지로 도시가스나 LPG, 석탄을 주원료로 한 연료전지로, 수소뿐만 아니라 메탄올이나 나프타, 석탄가스의 탄산가스를 작동 기체로 한 시스템이지만, 전해질에 세라믹 지르코니아를 사용하는 것 그리고, 작동 온도를 700~1,000℃로 하고 있다.

 

10,000~100,000kW 이상의 화력발전대체를 포함한 대규모 시스템으로서 연구개발이 진행되고 있던 것이지만, PEFC와 동등한 소형 연료전지로서의 개발도 진행되고 있다. 높은 내구성을 가지며 장시간의 운전에 견디는 견고성이 평가된다.

 

SOFC는 에네팜의 시스템으로서 개발이 진행되어 제품화되고 있다. PEFC와 비교되는 경우가 많은 시스템이다. SOFC는 PEFC에 비해 발전 효율이 높다는 이점이 있지만, 운전에 필요한 고온 상태를 유지하기 때문에 빈번한 온 오프가 불가능하다는 단점이 있다.

 

고온을 유지하기 위해서는 24시간 연속 운전이 필수가 되기 때문에 코제너레이션 시스템의 사고방식으로는 「전력 발생을 우선하여 열을 제어하지 않는다」방식으로 하여 「전주 열종」의 운용이다 .

 

열효율보다 전력 효율을 우선하고 있기 때문에, 가정용으로 사용하는 경우, 발생하는 열을 사용할 수 있는지가 과제가 된다. 고온에서 동작한다는 특성상 24시간 상시 운전시켜야 하며, 유지보수 시를 제외하고 전원을 끌 수 없다는 점에도 주의가 필요하다.