연료전지는 사용되는 전해질과 제조 공정에 따라 분류되는 생물학적 시스템이자 전기화학적 시스템입니다. 이러한 연료전지는 전기화학적 과정을 통해 다양한 형태의 에너지를 생산하거나, 연소나 가스화 등의 과정 없이 열에너지나 전기를 생산하는 데 사용됩니다. 현재 프로토타입 개발 또는 연구 단계에 있는 여러 가지 연료 전지 기술이 있으며, 그중 일부 주요 기술은 사용되는 전해질, 발생하는 화학 반응, 관련 촉매, 작동 온도 및 공급원료로 사용되는 연료 유형이 다릅니다. 다음은 현재 알려진 연료전지의 분류 및 특성에 대해 간략하게 소개합니다. 아래 그림은 다양한 종류의 연료전지에 사용되는 연료와 간단한 구조설명, 작동온도를 간략하게 나타낸 것입니다. 다음 표에는 각 유형의 연료전지에 필요한 전해질, 작동 온도, 연료, 장단점이 나와 있습니다.
I. 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC - 고분자 전해질막 연료전지)
고분자 전해질막 연료전지(PEMFC)는 출력 밀도가 높고 무게가 가볍기 때문에 다른 유형의 연료전지보다 더 인기 있는 선택입니다. 이는 또한 상업적 응용을 위한 가장 일반적이고 널리 홍보되는 기술 경로이기도 합니다. 이 이름은 양성자 교환막 연료전지와 같은 의미로 사용되며, 여기서는 구체적으로 저온 연료전지(LT-PEM)를 지칭하기도 합니다. 백금 또는 백금 합금 촉매가 포함된 고체 고분자 전해질과 탄소 전극을 사용하면 이러한 연료 전지는 수소와 산소(공기)만 사용할 수 있습니다. 일반적으로 PEMFC는 저장 탱크나 개질기의 순수 수소(99.99%+)를 연료로 사용합니다. 이러한 연료 전지는 약 80°C(176°F)의 더 낮은 온도에서 작동하므로 시동 시간이 더 빨라지고 시스템 구성 요소의 마모가 적어 내구성이 향상됩니다. 그러나 백금과 같은 귀금속 촉매를 사용하면 시스템 비용이 증가합니다. PEMFC는 주로 운송 목적으로 사용되지만 고정식 발전 열병합 발전에도 사용할 수 있습니다. 특히 버스, 자동차, 대형 트럭과 같은 차량 응용 분야에 적합합니다. 일본의 토요타, 한국의 현대, 발라드 등 대형업체가 많고, 국내 기업은 이루 말할 수 없을 정도로 많다.
II. 직접 메탄올 연료 전지(DMFC - 직접 메탄올 연료 전지)
대부분의 연료전지는 수소로 구동되며, 수소는 시스템에 직접 공급되거나 메탄올, 에탄올 또는 탄화수소와 같은 수소가 풍부한 연료를 개질하여 생산될 수 있습니다. 그러나 DMFC(직접 메탄올 연료전지) 작동은 전적으로 100% 메탄올을 기반으로 하며, 이는 일반적으로 연료전지 음극에 직접 주입되기 전에 물과 혼합됩니다. DMFC는 메탄올이 수소보다 에너지 밀도가 높기 때문에(가솔린이나 디젤 연료보다는 낮지만) 다른 연료 전지 시스템에서 흔히 발생하는 연료 저장 문제를 겪지 않습니다. 또한 메탄올은 휘발유와 매우 유사한 액체이므로 기존 인프라를 통해 운송 및 유통이 더 쉽습니다. DMFC는 휴대폰, 노트북 등 휴대용 연료전지 응용 분야에 일반적으로 사용됩니다. 현재 일부 회사는 특히 군사 산업 및 기지국과 같은 시나리오에서 상업 프로모션을 진행하고 있습니다. 구조적 원리는 그림에 나와 있습니다.
III. 알칼리성 연료전지(AFC - 알칼리성 연료전지)
알칼리성 전해수(AEC)는 모든 사람에게 잘 알려져 있지만 알칼리성 연료 전지(AFC)는 그렇지 않을 수도 있습니다. 하지만 AFC는 발명된 최초의 연료 전지 기술 중 하나이며 우주선에서 전기와 물을 생산하기 위해 미국 우주 프로그램에서 널리 사용됩니다. 수산화칼륨과 물의 용액이 전해질로 사용되며, 이는 결국 양극과 음극에서 다량의 비귀금속 촉매를 자유롭게 사용할 수 있게 해줍니다. 최근에는 고분자막을 전해질로 사용하는 새로운 AFC가 등장했다. 이러한 연료 전지는 기존 PEM 연료 전지와 유사하지만 산성 멤브레인 대신 알칼리성 멤브레인을 사용합니다. 알칼리 연료 전지(AFC)의 주요 장애물 중 하나는 이산화탄소(CO2) 중독에 대한 취약성입니다. 공기 중에 미량의 이산화탄소라도 탄산염 침전물을 생성하여 배터리 효율성과 수명에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 액체 전해질을 사용하는 AFC는 재순환 모드에서 실행되어 전해질을 재생하고 탄산염 형성을 줄일 수 있지만 이 모드에서는 션트 전류 및 습윤성, 부식, 차압 처리와 같은 기타 문제가 발생합니다. 알칼리막 연료전지(AMFC)는 이러한 문제를 해결하고 액체 전해질을 사용하는 AFC보다 이산화탄소 중독에 덜 민감합니다. 그러나 이산화탄소는 여전히 성능에 영향을 미치며 현재 성능과 내구성 측면에서 양성자 교환막 연료전지(PEMFC)보다 뒤떨어져 있습니다. AMFC는 현재 멀티와트에서 멀티킬로와트 범위의 잠재적인 용도에 대해 연구되고 있습니다. 그러나 실제 적용에서는 이산화탄소에 대한 내성, 막 전도성, 내구성과 같은 몇 가지 과제를 해결해야 합니다. 상업홍보가 약하고 인지도가 있는 기업이 적다.
IV. 인산 연료전지(PAFC) - 인산 연료전지
인산 연료전지(PAFC)는 액체 인산을 전해질로 사용하며, 전해질은 탄화규소 매트릭스로 싸여 있으며 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 결합되어 있습니다. 전극은 백금 촉매를 함유한 다공성 탄소로 구성됩니다. PAFC는 종종 '1세대' 현대식 연료 전지라고 불리며 가장 성숙한 연료 전지 유형 중 하나로 간주되며 한동안 상업적으로 사용되었습니다. 주로 고정형 발전에 사용되지만, 시내버스 등 대형 차량에 전력을 공급하는 PAFC도 있다. 양성자 교환막(PEM) 전지와 비교하여 PAFC는 수소로 변환되는 화석 연료의 불순물을 견딜 수 있다는 장점이 있습니다. PEM 전지는 양극의 백금 촉매와 결합하여 연료 전지의 효율을 감소시키는 일산화탄소에 쉽게 '중독'됩니다. 이와 대조적으로 PAFC는 불순물에 대한 어느 정도 내성을 갖고 있으며 열과 전력을 결합하면 효율이 85% 이상입니다. 그러나 단독으로 전기를 생산할 때는 효율이 37%~42%로 효율성이 떨어집니다. 이 효율 수준은 일반적으로 효율이 약 33%인 연소 기반 발전소의 효율보다 약간 더 나을 뿐입니다. 또한 PAFC는 동일한 무게와 부피의 다른 연료 전지보다 성능이 떨어지고 크기가 커서 생산 비용이 더 많이 듭니다. 이러한 연료전지를 제조하려면 고가의 백금 촉매가 많이 필요하므로 비용이 더 많이 듭니다. 대한민국의 두산(DOOSAN) 등 대표적인 기업 . PAFC 는 주로 고정형 발전과 드론에 사용된다.
브이 . 용융탄산염 연료전지(MCFC-Molten Carbonate Fuel Cells)
용융탄산염 연료전지(MCFC)는 현재 천연가스 및 석탄 기반 발전소에서 전기 유틸리티, 산업 및 군사 부문의 다양한 응용 분야에 사용하기 위한 목적으로 개발이 진행 중입니다. 이러한 연료 전지는 약 650°C(1200°F)의 온도에서 작동하도록 설계되었으며 고온 연료 전지로 간주됩니다. MCFC에 사용되는 전해질은 다공성 불활성 세라믹 리튬알루미늄 산화물 매트릭스에 현탁된 용융 탄산염입니다. 고온에서 작동할 때 얻을 수 있는 이점 중 하나는 비귀금속을 양극과 음극 모두의 촉매로 사용할 수 있어 비용 절감에 도움이 된다는 것입니다. MCFC는 효율성 향상으로 인해 비용을 크게 절감할 수 있습니다. 터빈과 결합하면 이 연료전지는 65% 의 효율을 달성할 수 있습니다. 를 훨씬 능가하는 최대 37~42 % 인산 연료전지의 효율 또한 폐열을 포착하여 활용하면 전체 연료 효율이 85%를 초과할 수 있습니다. 알칼리성, 인산 및 PEM 연료 전지와 달리 MCFC는 천연 가스 및 바이오 가스와 같은 연료를 수소로 변환하기 위해 외부 개질기가 필요하지 않습니다. 대신 연료전지 자체가 내부 개질을 통해 메탄 등 경질 탄화수소를 수소로 전환해 비용을 절감한다. 현재 기술로 MCFC는 내구성이 큰 단점에 직면해 있습니다. 고온의 가혹한 작동 조건과 부식성 전해질의 사용은 부품의 부식과 분해를 가속화하여 궁극적으로 수명을 단축시킵니다 . 연구원들은 내부식성 재료의 사용을 적극적으로 연구하고 성능 저하 없이 현재 사용 수명을 40,000시간(약 5년)으로 두 배로 늘릴 수 있는 연료 전지 설계를 개발하고 있습니다. 미국 퓨얼셀에너지 등 대표적인 기업.
VI : 고온고체산화물전지(SOFC-Solid Oxide Fuel Cells)
고체산화물 연료전지(SOFC)는 단단한 비다공성 세라믹 화합물을 전해질로 사용하며 연료를 전기로 변환하는 효율이 약 60%로 매우 높습니다. 열병합 발전 응용 분야에서는 시스템의 폐열을 포착하고 활용함으로써 전체 연료 효율이 84%를 초과할 수 있습니다. 이 연료전지는 최대 1830°F의 매우 높은 온도에서 작동합니다.
이러한 고온 작동에는 귀금속 촉매가 필요하지 않아 비용이 절감됩니다. 또한 SOFC는 내부적으로 연료를 개질할 수 있어 다양한 연료를 사용할 수 있고 시스템에 변환기를 추가하는 데 드는 비용을 줄일 수 있습니다. 고체산화물 연료전지(SOFC)는 다른 유형의 연료전지에 비해 뚜렷한 장점을 가지고 있습니다. 예를 들어, 다른 유형보다 더 많은 유황을 견딜 수 있고 일산화탄소 중독에 민감하지 않습니다. 즉, 천연가스, 바이오가스, 석탄 유래 가스와 같은 다양한 연료를 사용할 수 있습니다. 또한 고온 작동으로 인해 귀금속 촉매가 필요하지 않아 가격이 저렴합니다. 그러나 고온 작동은 느린 시동 및 열 차폐 요구 사항을 포함하여 운송에 적합하지 않은 문제를 야기합니다. 또한 고온의 가혹한 조건으로 인해 내구성이 중요한 문제입니다. 따라서 이러한 조건을 견딜 수 있는 저가의 소재를 개발하는 것이 중요합니다. 유망한 접근 방식 중 하나는 내구성 문제가 적고 운영 비용이 낮은 저온 SOFC를 개발하는 것입니다. 이러한 저온 SOFC는 아직 고온 시스템과 동일한 성능을 달성하지 못했지만 과학자들은 현재 이 낮은 온도 범위에서 작동할 수 있는 재료 스택을 개발하고 있습니다. 현재 국내외에 많은 관련업체가 있습니다. 구체적인 작동 및 구조적 원리가 그림에 나와 있습니다.
Ⅶ . 가역적 연료 전지(RFC - 가역적 연료 전지)
엄밀히 말하면 가역적 연료전지는 특정한 기술 경로를 의미하지 않습니다. 현재 일반적인 것으로는 알칼리 가역, PEM 가역, SOC 가역(물과 연료전지의 가역 전기분해를 말한다) 등이 있다. 그들의 작동 원리는 부산물인 수소와 산소, 물로부터 전기와 열을 생성한다는 점에서 다른 연료 전지와 유사합니다. 그러나 가역적 연료전지 시스템은 전기분해를 수행하고 태양광 및 풍력과 같은 재생에너지원에서 얻은 전기를 사용하여 수소 및 산소 연료를 생산할 수 있는 추가 기능을 갖추고 있습니다. 이는 가역적 연료전지가 필요할 때 전기를 공급할 뿐만 아니라, 재생에너지 기술이 현재 필요한 것보다 더 많은 에너지를 생산할 때 잉여 에너지를 수소 형태로 저장할 수도 있다는 것을 의미합니다. 이러한 에너지 저장 잠재력은 간헐적 재생 에너지를 보다 효율적이고 안정적으로 만드는 데 중요합니다.
