연료전지 발전원리 - yeonlyojeonji baljeon-wonli

수소-연료 전지

연료전지란 연료의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 발 전장치로서, 연료전지 스택, 연료변환장치, BOP 및 제어기술을 포함하는 통합기술이다. 기존 화력발전 대비 연료전지 발전은 온실가스의 주범인 이산화탄소는 약 40% 감소되고 에너지 사용량은 약 26% 절감되는 효과가 있는 신에너지 기술로 미국, 일본, EU에서 녹 색산업의 하나로 경쟁적으로 개발하고 있다.

전세계적으로 2010년까지 누적 75,000대 이상의 연료전지가 보급되었으며, 2010년 발 전용(주택 . 건물용 포함), 휴대용 및 수송용 연료전지시스템 등 약 30,000대가 보급되었 다. 연료전지 시스템의 세계시장은 2020년 13조원, 2025년 66조원 규모로 추정된다 (2011년 연료전지 기술 . 시장 전망, 후지경제). 

우리나라에서도 2009년 발표한 지식경제부의 15대 녹색 기술 중 연료전지 관련 분야는 연료전지 발전, 그린카, 에너지 저장, 지능형 전력망 분야에까지 이르고 있어 그 경제적, 산업적 중요성은 매우 크다고 할 수 있다. 또한 2010년 녹색성장위원회의 10대 핵심 녹 색기술에도 그린카, 지능형 전력망 등 관련 기술과 함께 연료전지가 선정되어 그 중요성 을 입증했으며, 향후 기술 개발을 한 정부지원 확대를 통해, 시장 진입을 앞당길 수 있 을 것으로 기대된다.

가. 연료전지의 원리

물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생한다. 연료전지는 이와는 반대로 수소와 산소로 부터 전기를 생산하는 전기화학적 발전장치이다.

H2 +1/2O2 →H2O+전기,열

연료전지에서는 전기와 동시에 열이 발생한다. 연료전지의 기본 구성은 연료극/전해질 층/공기극으로 접합되어 있는 셀(cell)이며, 다수의 셀을 적층하여 스택을 구성함으로써 원하는 전압 및 전류를 얻을 수 있다.

일반적으로 연료전지 기본 셀에서 전기를 발생시키기 위하여 연료인 수소가스를 연료극 쪽으로 공급하면, 수소는 연료극의 촉매층에서 수소이온(H+)과 전자(e-)로 산화되며, 공 기극 에서는 공급된 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합하여 물을 생성시키는 산소 환원 반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시킨다. 

나. 연료전지의 특징

첫째, 발전효율이 높다.

종래의 발전 방식은 연료의 에너지로부터 전기를 얻기까지의 과정에서 열 및 운동에너 지를 포함하고 있기 때문에 여러 곳에서 에너지 손실이 발생한다. 연료전지의 전기발전 효율은, 운전 장치 사용 전력 또는 열 손실 등을 감안하더라도 30~60% 이상이며, 열병합 발전까지 고려하면 전체 시스템 효율은 80% 이상이다. 디젤엔진, 가솔린엔진, 가스터빈 의 경우 출력 규모가 클수록 발전효율이 높아지는 경향이 있으나 연료전지의 경우 출력 크기에 상관없이 일정한 높은 효율을 얻는 것도 큰 이점이라고 할 수 있다.

둘째, 저공해이다.

연료전지는 기본적으로 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생하는 발전 장치이기 때문에 화력 발전이나 디젤 발전기에서와 같이 연소과정이 없으며, 발생하는 것 은 전기와 물, 그리고 열 뿐이다. 현재는 천연가스, 석탄 등의 화석연료로부터 수소를 얻 고 있으나 궁극적으로 풍력, 태양광 등의 대체에너지를 사용한 물의 전기분해로 수소를 얻게 되면 연료전지는 이산화탄소와 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 배출이 전혀 없는 무공해 에너지 시스템으로 자리매김하게 될 것이다.

연료전지는 모듈 형태로 제작이 가능하기 때문에 발전규모 조절이 용이하고, 설치 장소 의 제약이 적다는 것도 최근 부각되는 연료전지의 장점이다. 일반적으로 연료전지는 규모 에 따른 에너지 전환 효율의 변화가 크지 않은 것으로 알려져 있다. 다시 말해 소형에서도 높은 에너지 전환 효율을 기대할 수 있다는 것이다. 이 때문에 연료전지는 수W급에서 수 십 MW급까지 다양한 용도로 사용하는 것이 가능하다. 또한 연료전지는 소음, 유해가스 배 출을 획기적으로 낮출 수 있어 도심 어디에도 설치가 가능하다. 

다. 연료전지의 종류

연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지 (PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 알칼리 연료전지 (AFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 구분된다. 이들은 작동온도에 따라 다시 고 온형과 저온형으로 구분되며, 650°C 이상의 고온에서 작동하는 고온형 연료전지인 MCFC와 SOFC는, 백금을 전극으로 사용하는 저온형 연료전지와는 달리, 전극촉매로 니 켈을 비롯한 일반 금속촉매를 쓸 수 있는 장점이 있다. 고온형은 발전효율이 높고 고출력 이이지만 시동 시간이 오래결려 발전소나 대형건물 등에 적합하다. 저온형인 PAFC와 PEMFC, DMFC는 200°C 이하에서 상온에 이르기까지 저온에서도 구동될 수 있으며, 시 동시간이 짧고 부하변동성이 뛰어난 특징이 있으나, 고가의 백금 전극이 필요하다. 연료 전지의 종류에 따른 특성을 다음 표에 나타내었다. 

가정용 연료전지의 경우 일본을 선두로 상업화 단계에 진입하였으며, 그 외 우주선, 잠 수함 등 특수 용도의 경우 이미 상업화 단계에 진입하였다고 할 수 있다. 발전용 연료전 지, 특히 MCFC는 정부 지원제도 아래 시장진입 초기 단계에 진입하였으며, 수송용 연료 전지의 경우 일본, 유럽, 국내 자동차회사를 중심으로 2015년에 시장 진입이 시작될 것으 로 예상된다. 연료전지 시스템만 고려했을 때 2006년 전 세계 시장 규모는 $387M으로 전년도에 비해 10% 정도 성장하였다. 그러나 전후방 산업까지 고려한 연료전지 관련 기 업들의 총 매출은 2006년 $415M 으로, 2005년에 비해 2 배 정도 증가하여, 아직까지 본 격적인 상용화가 이루어지지 않은 상황임에도 불구하고 매우 빠른 속도로 시장이 성장하 고 있다고 할 수 있다.

J-economic Center의 예측에 따르면 2020년 연료전지 시장(가정용 . 휴대기기용 . 차 량용 . 업무용)은 1조 3,582억엔에 달할 것으로 예측하고 있다. 가정용이 5,200억엔, 휴대 기기용이 280억엔, 차량용 5,600억엔, 업무 . 산업용이 2,422억엔에 이를 전망이다(2030 년에는 1조 8,460억엔). 

가. 분산발전용 연료전지

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분산발전이란 통상 수백kW에서 수십MW까지의 전력을 소비처에서 생산하는 발전하는 방 식으로 중앙집중식 발전에 대응하는 발전 형식이다. 일반 화력발전은 건설단가 및 발전효 율 측면에서 중앙집중식이 유리하지만, 연료전지의 경우 분산발전에 보다 적합한 특성을 갖고 있어, 고온형 연료전지를 중심으로 분산발전으로의 응용이 오래 연구 개발되어 왔 다. 분산발전은 발전소 건설에 따른 NIMBY 현상을 피할 수 있고, 원거리 송전에 따르는 5-8% 정도의 송전 손실을 막을 수 있는 장점이 있다. 또 복잡한 현대사회에서 수요 특성 에 맞춘 발전방식을 제공할 수 있는 장점이 있어 향후 그 보급이 크게 기대되는 발전 방식 이다.

미국에서는 Fuel Cell Energy와 UTC Power가 상업 판매를 하고 있다. 우리나라의 경 우 2005년 정부 지원 하에 250kW MCFC 시스템이 설치되기 시작하였다. 국내의 경우, 350kW, 1.4MW, 2.8MW 등 분산발전형 제품에 주력하고 있는 포스코에너지는 발전차액제 및 RPS 제도 같은 정부 지원책에 힘입어 현재 전국 17개소에서 총 27기(51.2MW)를 가동 중에 있다. RPS가 본격 시행됨에 따라 연료전지 발전의 수요도 증가하여 2013년까지 약 130MW가 추가로 건설될 예정이며, 국내시장 규모도 연 3,000억원을 상회할 전망이다. 

나. 건물용 연료전지

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건물용 연료전지 시스템은 연료전지를 차세대 주택용 동력원으로 개발한 것으로, 도시 가스나 LPG 등의 연료에서 추출한 수소와 공기 중의 산소 간 화학반응을 일으켜 전기와 열에너지를 생산하는 열병합 발전장치이다. PEMFC를 사용한 가정용 연료전지의 전기효 율은 35%로 상당히 높은 수준이며, 전기 생산 과정에서 발생하는 폐열로 난방과 온수까 지 해결하는 열병합 시스템까지 적용하면 80% 이상으로 상승한다.

건물용 연료전지는 열병합 발전 또는 비상전원으로 2008년 상용화가 시작되었으며, 최 근에는 가격저감, 대량생산설비 구축과 함께 표준화가 진행 중이다. 건물용 연료전지의 최대강국인 일본은 수소 . 연료전지 관련 중장기 계획을 통해 기초기술개발과 함께 실용화 기술개발, 상용화를 위한 보급사업, 표준화 사업을 진행 중이다. 2011년까지 28,000대 보급에 이어 2012년 9,000대 추가 보급 예상된다. 최종 목표는 2020년까지 10GW(누적 용량) 보급이며, 이의 달성을 위해 일본정부는 2013년까지 가정용 연료전지 구입비의 약 40%를 지원하고 있다.

국내 건물용 연료전지 시장은 초기 형성 단계로 규모가 미미한 수준이지만, 정부 정책 및 기술개발에 따라 2015년 이후 시장규모가 확대될 것으로 예측된다. 1kW급의 경우, 2006년부터 국책사업으로 진행된 ‘가정용 연료전지 모니터링 사업’으로 총 210기(1차 40 기, 2차 70기, 3차 100기) 설치 . 운영 중이며, 그린홈 보급사업 및 신재생에너지 시범보 급 사업(2010∼2011)을 통해 현재(2011.10월 말 기준) 345기가 시범 보급되어 일반 건 물 및 시설물 등에서 설치 . 운전 중이다. 향후 그린홈 100만호 보급 사업을 통해 연료전지 보급 활성화 전망이다. 2010년 200대 규모의 가정용 연료전지 시범보급을 시작으로 2015년 2만대, 2020년까지 그린홈 10만호 등으로 보급 확대될 전망이다.

이외에 파생시장으로 무정전, 친환경 선박용 연료전지 발전시스템이 상업화되어, 발전 용 연료전지 시장의 성장을 촉진시킬 것으로 예상된다. 전 세계 무정전 연료전지 발전시 스템시장은 2009년 전년 대비 35% 상승했으며, 이후 계속적인 증가가 예상된다.

다. 수송용 연료전지

수송용 연료전지는 수소를 연료로 전기를 발생시켜 차량을 구동시키는 시스템으로서, 탈석유 시대에 유력한 대안이 되고 있으며, 에너지 사용량 및 탄소 배출량을 줄여 특히 도 심 환경 개선에 크게 기여한다.