연료전지의 활용

연료전지의 종류와 장단점

연료전지는 전기 화학 반응으로 전기를 생산한다는 점에서 배터리와 같습니다. 연료전지는 화학에너지의 외부 공급을 사용하며 수소와 산소 공급원 (일반적으로 공기)을 공급받는 한 무한정 작동할 수 있습니다. 수소의 공급원은 일반적으로 연료라고 하며 이를 통해 연료전지의 이름이 붙지만 연소는 관계가 없습니다. 대신 수소의 산화는 매우 효율적인 방법으로 전기 화학적으로 일어납니다. 산화 과정에서 수소 원자는 산소 원자와 반응하여 물을 형성하는데 이 과정에서 전자가 방출되어 외부 회로를 통해 전류로 흐릅니다. 연료전지는 불과 몇 와트의 전기를 생산하는 작은 장치에서 메가와트를 생산하는 대형 발전소까지 다양합니다. 모든 연료전지는 고체 또는 액체 전해질로 분리된 두개의 전극을 사용하는 중앙설계를 기반으로하며, 이들 사이에 전하를 띤 입자를 운반합니다. 촉매는 종종 전극의 반응 속도를 높이기 위해 사용됩니다. 연료전지 유형은 일반적으로 사용하는 전해질의 특성에 따라 분류됩니다. 각 유형에는 특정재료와 연료가 필요하며 다양한 용도에 적합합니다. 에너지 분야에서는 대부분의 수소는 연료 전지 (FC)를 통해 사용됩니다. 연료 전지는 수소와 산소를 결합하여 전기를 생산하고 물과 열을 부산물로 사용하는 전기화학 장치입니다. 가장 단순한 형태의 단일 연료전지는 두개의 전극(양극과 음극)으로 구성되며 그 사이에 전해질이 있습니다. 양극에서 수소는 촉매와 반응하여 양전하를 띤 이온과 음전하를 띤 전자를 생성합니다. 그런 다음 양성자는 전해질을 통과하고 전자는 회로를 통과하여 전류를 생성합니다. 음극에서 산소는 이온과 전자와 반응하여 물과 유용한 열을 형성합니다. 1고체 산화물 연료 전지 (SOFC): SOFC는 단단한 비다공성 세라믹 화합물을 전해질로 사용합니다. 전해질이 고체이기 때문에 다른 연료전지 유형의 전형적인 판형으로 전지를 구성할 필요가 없습니다. SOFC는 연료를 전기로 변환하는 데 약50 ~ 60 %효율이 있을 것으로 예상됩니다. 이 장치는 일반적으로 500~1,000 °C의 매우 높은 온도에서 작동합니다. 이온도에서 SOFC는 현재 PEMFC와 같은 저온연료 전지에 필요한 고가의 백금 촉매물질이 필요하지 않으며 일산화탄소 촉매 중독(불순물에 의한 비활성화)에 취약하지 않습니다. 그러나 유황에 대한 취약성은 널리 관찰되어 왔으며 흡착제 베드 또는 다른수단을 통해서 셀에 들어가기 전에 유황을 제거해야합니다. SOFC는 차량의 보조 전원 장치에서 고정식 발전에 이르기까지 다양한 용도로 사용되며 출력은 100W~2MW입니다. 작동 온도가 높을수록 SOFC는 열엔진 에너지 회수장치 또는 열과 전력을 결합하여 사용에 적합하게 만들어 전반적인 연료 효율을 더욱 향상시킵니다. 2양성자 교환막 연료 전지 (PEMFC): 고분자 전해질 연료 전지 (Polymer Electrolyte Fuel Cells) 또는 PEMFC로도 알려진 양성자 교환막 연료 전지는 고출력 밀도를 제공하며 다른 FC에 비해 낮은 무게와 부피와 관련된 몇 가지 장점이 있습니다. PEMFC는 전해질로 폴리머 막과 백금 촉매가 포함된 다공성 탄소전극을 사용합니다. 이러한 유형의 FC는 작동하는데 수소, 공기중의 산소,물만 필요하며 작동에는 다른 FC와 같이 부식성 유체가 필요하지 않습니다. 일반적으로 저장 탱크에서 공급되는 순수한 수소로 연료를 공급받습니다. 이 장치는 약80°C의 저온에서 작동하며 초기에 고밀도의 전력 수요가 필요한 이동성 응용 분야 및 기타 용도에 적합합니다. 현재, 일부의 FC응용분야에서는, 멤브레인의 열화에 의해, PEMFC는 고온에서는 동작하지 않습니다. 저온에서의 작동은 중요한 장점이 있지만 약간의 불편 함도 있습니다. 주요 장점은 FC가 주변 온도에서 시작하여 작동 온도에 빠르게 도달 할 수 있다는 것입니다. 주된 문제는 작동을 위해 백금 촉매제가 필요하고 비용이 증가하는 것입니다. 더욱이 백금 촉매는 CO 중독에 매우 민감하므로 수소가 알코올 또는 탄화수소 연료에서 나오는 경우 연료가스의 CO를 줄이기 위해 추가 반응기를 사용해야합니다. 이 단계는 이러한 유형의 FC를 더 비싸게 만듭니다. 백금 사용을 줄이거나 억제하기 위한 연구가 진행중이며 PEMFC에 사용되는 백금의 양은 이미 상당히 감소했습니다. 게다가 백금 촉매를 재활용 할수 있습니다. 오늘날 PEM 연료 전지는 도로 운송 애플리케이션 (자동차, 버스, 트럭 등)을 위한 합의된 선택입니다. PEM은 일부 고정 애플리케이션에도 사용됩니다. 3알칼리성 연료 전지: 알칼리 연료전지(AFC)는 최초로 개발된 FC 기술 중 하나였으며 이러한 FC는 물에 수산화 칼륨 용액을 전해질로 사용하며, 양극과 음극에서 촉매로 다양한 비귀금속을 사용할 수 있습니다. 고온 AFC는 100°C ~ 250°C의 온도에서 작동합니다. 그러나 최신 AFC 설계는 약 23°C ~ 70°C의 낮은 온도에서 작동합니다. 순수 수소에서 작동하는 알칼리성 FC의 효율은 60%입니다. AFC의 장점 중 하나는 생산된 물을 마실 수 있고 현재 제조하는데 가장 저렴한 연료전지라는 것입니다. 그 이유는 다른 유형의 FC에 필요한 백금과 같은 촉매에 비해 전극의 촉매로 사용되는 상대적으로 저렴한 재료에 있습니다. AFC의 한계 중 하나는 연료 또는 공기에 존재할수 있는 이산화탄소(CO2)에 민감하다는 것입니다. CO2는 전해질과 반응하여 전도도를 감소시킬수 있는 탄산염을 형성합니다. 현재 이러한 유형의 FC는 고정 전력 애플리케이션에 대해 테스트되고 있습니다. 4DMFC (Direct Methanol Fuel Cell): DMFC는 증기와 혼합되어 연료전지 양극에 직접 공급되는 순수한 메탄올로 구동됩니다. 양극에는 액체 메탄올 또는 메탄올 증기를 공급할 수있는 반면 음극에는 공기를 공급할 수 있습니다. DMFC는 저온 FC 제품군에 속합니다. 고분자막을 전해질로 사용하기 때문에 PEMFC의 진화로 간주 될 수 있습니다. 그러나 DMFC 양극의 백금-루테늄 촉매는 액체 메탄올에서 수소를 끌어낼수 있어 연료 개질기가 필요하지 않습니다. 따라서 순수한 메탄올을 연료로 사용할수 있습니다. DMFC는 작동온도 범위가 60°C~130°C이며 모바일 전자장치 또는 충전기 및 휴대용 전원 팩과 같이 적당한 전력 요구 사항이 있는 응용프로그램에 사용되는 경향이 있습니다. 5인산 연료전지(PAFC): 인산 연료 전지(PAFC)는 액체 인산을 전해질로 사용하고(산은 테플론 결합 탄화 규소 매트릭스에 포함되어 있음)백금촉매를 포함하는 다공성 탄소 전극을 사용합니다. PAFC는 60 년대 중반에 개발되었으며 70 년대부터 테스트되었습니다. 그 이후로 불안정성, 성능 및 비용과 같은 기능이 향상되었습니다. 이러한 특성으로 인해 PAFC는 고정 응용분야에 적합합니다. 이장치는 150°C에서 200°C의 범위에서 작동하며, 작동으로 인한 물은 공기 및 물가열을 위해 증기로 변환될 수 있습니다(열병합 발전, CHP). 이 기능은 효율성을 최대 70%까지 높일 수 있습니다. 저온에서 인산은 불량한 이온 전도체이며 양극에서 백금촉매의 CO중독이 심각해집니다. 그러나 PEMFC및 AFC보다 CO에 훨씬 덜 민감하다는 장점이 있습니다. PAFC는 CO를 포함하는 연료를 허용하고 약1.5%의 CO 농도를 견딜 수 있으므로 사용할수 있는 연료의 폭이 넓어집니다(참고 : 가솔린을 사용하는 경우 먼저 황을 제거해야합니다). 6용융 탄산염 연료 전지 (MCFC): 용융 탄산염 연료 전지 (MCFC)는 전기, 산업 및 군사 응용 분야를 위한 천연 가스 (NG) 및 석탄 기반 발전소용으로 개발되고 있습니다. MCFC는 고온에서 작동하며 다공성의 화학적 불활성 세라믹 리튬 알루미늄 산화물(LiAlO2) 매트릭스에 현탁 된 용융 탄산염 혼합물로 구성된 전해질을 사용합니다. MCFC는 매우 높은온도(650°C 이상)에서 작동하기 때문에 촉매가 백금과 같은 귀금속일 필요가 없으므로 MCFC가 더 저렴합니다. 전기를 생산할때 60%, 열병합 발전에 사용되는 경우 85%의 효율을 보입니다. 고온 작동의 장점은 효율성이 증가하고 더 저렴한 촉매를 사용할 수 있다는 것입니다. 그러나 이러한 고온은 FC의 유효수명을 단축시키고 부식을 촉진합니다. MCFC는 천연가스, 바이오 가스, 합성 가스, 메탄 및 프로판과 같은 연료로 작동할수 있습니다. 단점은 낮은 전력 밀도와 전해질의 공격성입니다.