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매력적인 발전 기술, 연료전지

2014.04.02 10:11


 

지난 시간을 통해 ESS(http://blog.lgcns.com/414), 2차전지와 연료전지(http://blog.lgcns.com/451)에 대해 알아 보았는데요. 오늘은 차세대 에너지원으로 각광받고 있는 연료전지에 대해 조금 더 알아 보겠습니다.

 

연료전지는 천연가스나 메탄올 같은 연료에서 수소를 뽑은 후 산소와 반응시켜 전기를 만드는 것인데요. 연료전지가 최초로 만들어진 것은 1839년 영국의 물리학자 그로브(William Robert Grove, 1811.7~1896.8)에 의해서입니다. 그 역사가 무려 170년이 넘는 것이죠. 하지만 연료전지가 세상에 알려지게 된 것은 한참 후의 일입니다. 1965년 미국의 우주선 제미니 5호(Gemini 5)에 적재되어 우주선 내의 전력과 음료를 공급하면서 그 존재를 알렸으니 말입니다. 


그런데 전지로 음료를 공급했다는 것은 선뜻 이해가 가지 않는 일이죠? 로켓의 연료는 수소와 산소로 구성됩니다. 따라서 수소를 사용하는 연료전지가 우주개발에 활용되었고, 전기를 생산할 때 생성되는 물이 우주선 내의 음료로 활용될 수 있었던 것입니다. 


 


<제미니 5호에 사용된 연료전지>

(출처 : Gemini Familiarization Manual)


1960년대부터 시작된 연료전지의 상업화는 1970~80년대의 에너지 위기와 환경문제에 대한 관심 증가와 함께 개발이 가속화되고 있는데요. 현재는 자동차용에서부터 주택용, 발전용에 이르기까지 적용 범위가 점차 확대되고 있습니다.

 

연료전지 시스템은 크게 공기와 연료를 공급하는 장치, 수소를 발생시키는 장치, 연료전지, 전력변환기, 전기를 생산할 때 발생하는 열을 회수하는 장치로 구성됩니다.


 

<연료전지 시스템 구성>

(출처:에너지 관리공단 신재생에너지센터 http://www.knrec.or.kr)


각 장치를 조금 더 구체적으로 설명하면 다음과 같습니다.


● 개질[각주:1]기(Reformer) : 천연가스, 메탄올, 석유 등의 화석 연료로부터 수소를 발생시키는 장치 

 스택(Stack) : 발전을 위해 단위 전지(Cell)를 쌓아 올린 연료전지 본체

 전력변환기(Inverter) : 연료전지에서 생산된 직류전기(DC)를 수용가에서 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치

 주변보조기기(BOP: Balance of Plant) : 연료와 공기의 공급, 열 회수, 공조, 소방 등의 보조 기기

 

연료전지의 종류는 어떤 전해질을 사용하느냐에 따라 구분됩니다. 같은 종류의 연료전지라도 제품에 따라 제원에 차이가 있는데요. 대략적인 특성은 아래 표와 같습니다.


<연료전지의 종류>

 구분

 AFC

 PAFC

 MCFC

 SOFC

 PEM

 전해질

 수산화칼륨

 인산

 탄산리튬/탄산칼륨

 지르코니아

 수소이온교환막

 작동 온도 (℃)

 90~100

 150~200

 600~700

 700~1,000

 50~100

 효율(%)

 60

 40

 45~50

 60

 35

 출력(kW)

 10~100

 400~10,000

 100~10,000이상

 100~10,000이상

 1~100

 용도

 우주발사체

 분산발전

 중앙발전, 

분산발전

 중앙발전, 

분산발전

 수송용,

 분산발전

 특징

 발전효율 높음, 연료와 공기 중의 CO2에 민감함

 열병합 발전 

가능

 발전효율 높음, 열병합 발전 

가능

 발전효율 높음, 복합 발전 가능

 저온 작동, 

빠른 기동

※ AFC(Alkaline Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid FC), 

MCFC(Molten Carbonate), SOFC(Solid Oxide),    PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane)


표에서 알 수 있듯, 작동온도와 효율, 출력의 차이에 따라 전지의 용도도 달라집니다. 효율이 좋지만 CO2에 민감한 AFC는 우주선에 사용되며, 저온에서 작동하고 기동이 빠른 PEM은 연료전지 자동차에 사용되고 있습니다. MCFC와 SOFC는 발전효율이 좋고 작동 온도가 높기 때문에 중앙발전과 분산발전에 사용되죠.

현재, 미국 오하이오주 캔턴 소재의 LG퓨얼셀시스템스는 SOFC 방식의 연료전지를 개발 중에 있습니다. 

 

<LG퓨얼셀시스템스 1MW급 연료전지 시스템>

(출처 : LG Fuel Cell Systems Overview Presentation, 

Hydrogen and Fuel Cell Technical Advisory Committee, 2013. 4. 23~24)


SOFC 방식의 연료전지는 발전을 할 때 발생하는 열을 난방과 온수에 사용할 수 있기 때문에 가정용뿐 아니라 대량의 열을 필요로 하는 공장 등의 생산 시설로도 활용됩니다. 이것이 우리가 흔히 알고 있는 열병합 발전이죠. 또한, 발전 효율을 높이기 위해 연료전지와 증기터빈, 가스터빈 등을 결합하기도 하는데요. 이러한 형태를 복합 발전이라고 합니다.


 

<연료전지 복합 발전 개념도>


이상으로 연료전지에 대해 알아보았는데요. 높은 효율과 타 발전 기술과의 조합 가능성, 적은 환경 오염 물질 배출량 등 장점이 많은 기술임에 틀림 없는 것 같습니다. 하지만 초기의 태양광 발전이 그러했듯이, 높은 가격 등 풀어야 할 숙제도 많은데요. 연료전지가 더 많이 보급될 수 있도록 정책적인 지원과 지속적인 기술 개발이 필요한 시점입니다.



l 글 김강민 l LG CNS 스마트 블로거



  1. 개질: <화학용어> [같은 말] 리포밍(열이나 촉매의 작용에 의하여 탄화수소의 구조를 변화시켜 가솔린의 품질을 높이는 조작) [본문으로]
Posted by IT로 만드는 새로운 미래를 열어갑니다 LG CNS

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