연료전지
| 연료전지란? | 원리 및 시스템구성 | 도입효과 | 응용분야 |
| 타 신재생에너지 비교 | 종류 | 설치사례 |
연료전지란?
수소와 산소의 전기 화학반응을 이용하여 전기 에너지로 변환시키는 장치로 유해물질(SOx, NOx)을 배출하지 않으며, 전기와 열(온수)을 동시에 24시간 생산할 수 있는 청정 에너지원입니다.
연료전지의 역사
1839년 영국의 윌리엄 그로브(William R Grove)에 의해 수소를 연료로 하는 최초의 연료전지가 제작, 실험되었으나 제조비용, 연료의 특수성 및 짧은 수명 등으로 연구개발이 미비했다. 연료전지는 우주선, 특수 잠수함, 무인 통신 중개소 등과 같이 단위 부피당 높은 발전 출력이 요구되는 곳에서 사용하기 위하여 1960년도 초부터 미국, 소련 등에서 본격적인 연구가 시작되었다. 제너럴 일렉트릭(General Electric)사는 맥도널항공사(McDonnell Aircraft Corporation)와 함께 지속적으로 기술을 개선했고, 1965년 미항공우주국(NASA)이 우주개발 계획의 하나로 제너럴 일렉트릭(General Electric)사에서 제미니(Gemini) 우주선 계획을 시작하면서 연료전지를 우주선에 장착하는 첫 번째 시도가 이루어졌다. 산업혁명 이후 시작된 화력발전은 심각한 지구 공해 문제와 1970년대 초의 석유파동 등으로 자원고갈 문제에 부닥치게 되었다. 이에 선진 각국에서는 공해 요인이 적고 효율이 높은 연료전지의 개발에 큰 관심을 갖게 되었고, 현재 우리나라에서도 미래의 에너지원 중 하나로 기대되는 연료전지 개발에 많은 예산을 투입하고 있다.
연료전지의 원리
수소와 (공기중)산소의 화학적 반응을 통해 에너지를 생산하며, 유해물질 (NOx, SOx 등)을 배출하지 않는 청정 에너지원입니다.
연료전지의 시스템구성
연료전지 시스템은 도시가스 등의 연료를 개질기를 통해 수소로 변환, (공기중) 산소와 함께 스택으로 공급하여 전기 및 열 에너지를 생산합니다. 또한 연료전지 스택(stack)에서 생성된 직류전력은 전력변환장치(inverter)를 통해 최종적으로 220V, 60Hz의 교류전력으로 변환되며 종합효율 90% 이상의 고효율 발전 시스템입니다.
연료전지 시스템의 도입효과
기존 발전 시스템
연료전지 발전 시스템
연료전지의 응용분야
연료전지는 휴대전원용, 자동차용, 가정용, 발전용까지 모든 발전장치에 응용됩니다. 특히 고분자 연료전지(PEMFC)는 가장 최근에 사용화된 연료전지로서 주로 가정용 및 건물용이나 자동차용으로 사용됩니다.
| 대상 연료전지 | |||
|---|---|---|---|
 휴대용 50kW 이하 |
PEMFC | DMFC | - |
 건물용 1~10kW |
SOFC | ||
 수송용 80~200kW |
|||
 발전용 250kW 이상 |
MCFC | SOFC | PAFC |
| 기술분류 | 전해질 | 동작온도 |
|---|---|---|
| DMFC | 고분자 | 25~80℃ |
| PEMFC | 고분자 | 25~80℃ |
| PAFC | 인산염 | 200℃ |
| MCFC | 용융탄산염 | 650℃ |
| SOFC | 고체산화물 | 600~1000℃ |
신재생 에너지원별 이용율 비교
연료전지 시스템은 다른 신재생 에너지원에 비해 환경 영향 없이 지속적인 에너지 생산이 가능하기 때문에 신재생 에너지 의무 생산 비율을 충족할 수 있는 유일한 에너지원 입니다.
타 신재생에너지와 비교
| 구분 | 태양광 | 지열 | 연료전지 |
|---|---|---|---|
| 발전 효율성 |
15% | 냉방COP:4.5 난방COP:3.5 |
90% (전기40% +열50%) |
| 법적의무 설치규모 (연면적 5만m² 기준) |
중용량 설치 (630㎾) |
대용량 설치 (2,470㎾) |
소용량 설치 (60㎾) |
| 설치면적 (m²/㎾) |
실외설치, 대(8.3m²/㎾) | 실외설치, 중(3.2m²/㎾) | 실외설치, 소(1.2m²/㎾) |
| 설계/공사 용이성 |
건축외관 디자인, 품질저하 |
공사일정 지연 및 토양오염 요인 | 설계/공사 용이 |
| 전체 설치 공사비 |
※정부, 원별보정계수 발표를 통한 동일 공사비 유도 |
||
| 운영비 | - | 전기비용 | 가스비용 |
| 편의성 | X 날씨영향 |
△ 계절영향 |
○ On/off 가동, Flexible 부하운전 |
| 친환경성 | ○ | △ | ○ |
직접 메탄올 연료전지 (DMFC)
특징
직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)는 메탄올을 연료로 사용하며, 메탄올에 함유되어 있는 수소이온과 공기 중의 산소가 전기화학반응을 통해 전기를 발전시키는 친환경 발전시스템이다. 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지 변환 장치이며, 연료에 저장된 화학적인 에너지를 전기와 열에너지를 생산하는 고효율 친환경 에너지발전시스템이다.
건물용 (PEMFC / SOFC)
특징
| 고분자전해질형 (PEMFC) |
- 1990년대에 기술개발된 4세대로 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용. - 가장 활발하게 연구되는 분야이며, 실용화 및 상용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있음. |
|---|---|
| 고체산화물형 (SOFC) |
- 1980년대에 본격적으로 기술 개발된 3세대로 MCFC보다 효율이 우수한 연료전지로 대형발전소, 아파트단지, 대형건물의 분산형 전원으로 이용. - 최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나 우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이 가장 낮음. |
발전용 (PAFC/SOFC)
특징
- 1970년대 민간차원에서 처음으로 기술개발된 1세대 연료전지로 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 이용
- 현재 가장 앞선 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있음
연료전지의 설치사례
발전용 연료전지는 어느 장소에서든 설치가 가능하며 난방, 온수를 사용하는 곳은 추가로 연료비 절감을 할수 있기 때문에 더 많은 수익을 높일수 있습니다.
