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수소 연료 전지란?
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수소 연료 전지는 수소의 화학 에너지를 전기로 변환하는 장치입니다. 수소가 산소와 결합하여 물을 형성하고 부산물로 전기를 생성하는 전기화학 공정을 통해 작동합니다.
매우 유망한 청정에너지 기술인 수소 연료 전지는 산업계의 탈탄소화 노력에 필수적인 요소가 될 것입니다. 지금까지 수소 연료 전지는 대형 연료 전지 자동차, 우주선, 데이터 센터, 창고 등의 응용 분야에 사용되었습니다. 향후에는 휴대용 전자기기부터 병원, 군사용 애플리케이션에 이르기까지 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다.
어떻게 작동하나요?
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수소 연료 전지는 전해조와 반대로 작동합니다. 전해조는 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 반면, 연료전지는 수소와 산소를 결합하여 물을 형성하는 방식으로 전기를 생성합니다.
연료전지 양극의 수소 연료는 외부 저장 탱크에서 공급되고, 음극의 산소는 공기 중에서 끌어옵니다. 수소는 양극에서 산화(전자를 잃고 양전하를 띠게 됨)되고, 산소는 음극에서 환원(전자를 얻고 음전하를 띠게 됨)됩니다. 전해질은 양극과 음극 사이에서 이온을 전달하는 데 사용됩니다. 연료 전지 유형에 따라 음극 또는 양극에 물이 형성됩니다.
산화 과정에서 여분의 전자는 외부 부하 회로를 통해 양극에서 음극으로 이동합니다. 이 전류가 연료 전지의 출력을 제공합니다.
수소 연료 전지의 종류
수소 연료 전지 기술에는 네 가지 주요 유형이 있으며, 주로 산화를 시작하는 데 사용되는 전해질에서 차이가 있습니다. 각 기술에는 고유한 장점이 있습니다.
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PEM 연료전지
양성자 교환막(PEM) 연료 전지는 고분자 전해질 막 연료 전지라고도 합니다. 양극에서 수소가 공급되고 촉매를 사용하여 산화됩니다. 수소 이온은 PEM을 통과하여 음극에 도달하고, 전자는 외부 부하 회로를 통해 음극에 도달합니다. 산소는 음극에서 환원되어 수소 이온과 결합하여 물을 형성합니다. 전자 흐름에 의해 생성된 전류는 PEM 연료 전지의 출력을 제공합니다.
수소 PEM 연료전지는 다른 수소 연료전지보다 낮은 온도(일반적으로 50~100°C)에서 작동하면서 높은 전력 밀도와 빠른 시동 시간을 제공합니다. 주로 승용차, 상용차 등 교통수단과 잠재적인 항공우주 응용분야을 위해 개발되고 있습니다.
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고체산화물 연료전지
고체 산화물 연료 전지는 내구성이 뛰어나고 에너지 효율이 높으며 폐열을 회수할 수 있는 응용 분야에 이상적입니다. PEM 연료전지와 달리 시동 시간이 길고 최대 1,000°C에 이르는 높은 작동 온도로 인해 대부분의 운송 분야에는 적합하지 않습니다. 고체 산화물 연료 전지는 주로 병원이나 데이터 센터와 같은 건물의 고정식 발전기용으로 개발되고 있습니다.
고체 산화물 연료 전지는 작동 온도가 높기 때문에 내구성이 매우 뛰어나야 합니다. 3M™ Nextel 세라믹 파이버 및 섬유로 만든 연료 전지 부품은 극한의 온도와 열 순환을 견딜 수 있어 스택 무결성을 유지하고 전지 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다.
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알카라인 연료전지
알카라인 연료 전지는 수성 알카라인 전해질(일반적으로 수산화칼륨)을 사용하여 음극에서 양극으로 수산화 이온을 전도합니다. 음이온 교환막을 사용하는 고체 알카라인 연료 전지도 실험적으로 사용되고 있습니다. 양극에 물이 형성되어 부하 회로에서 전자 흐름을 생성합니다.
알카라인 연료 전지는 수소 연료 전지 중 가장 오래된 유형입니다. 1932년에 발명된 이 연료전지는 1968년부터 1972년까지 NASA의 아폴로 임무에 사용되었습니다. 알카라인 연료 전지는 대부분 PEM 또는 고체 산화물로 대체되었지만, 높은 에너지 효율과 신뢰성으로 인해 우주선 애플리케이션에서 여전히 사용되고 있습니다. 상대적으로 저렴한 재료비는 알카라인 연료전지의 또 다른 장점입니다.
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인산 연료 전지
인산 연료 전지는 액체 인산 전해질을 사용합니다. PEM 연료 전지와 마찬가지로 수소 이온은 전해질을 통해 음극으로 전달되고 전자는 부하 회로를 통해 흐릅니다. 수소 이온은 산소와 결합하여 음극에서 물을 형성합니다.
다른 수소 연료 전지에 비해 인산 연료 전지는 CO₂와 같은 불순물에 대한 내성이 더 뛰어납니다. 따라서 부산물로 CO₂를 배출하는 증기 개질방식으로 생산된 수소를 사용할 수 있습니다. 150~200°C의 온도에서 작동하기 때문에 효과적인 폐열 수집이 가능합니다.
청정 에너지 기술의 문을 열다
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그린수소의 중요성수소 연료 전지는 청정 에너지로의 전환을 지원하고 글로벌 기후 목표를 달성하는 데 중요한 역할을 할 것으로 널리 기대되고 있습니다. 연료전지가 작동하는 동안에는 전기, 열, 물, 이 세 가지 물질만 생성됩니다.
하지만 그렇다고 해서 수소 연료 전지가 반드시 무공해 기술은 아닙니다. 사용되는 원료와 에너지원에 따라 수소 생산 과정에서 이산화탄소가 여전히 배출될 수 있습니다.
반면에 풍력이나 태양열과 같은 저공해 재생 에너지원을 사용하여 물 전기분해를 통해 생산된 수소를 그린 수소라고 합니다. 그린 수소를 공급받는 연료 전지는 탄소 배출량이 매우 작으면서도 상당한 에너지를 공급할 수 있어 화석 연료에 대한 산업 의존도를 낮추고 탈탄소화의 길을 열 수 있습니다.
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재생 에너지 운송수소는 에너지원이 아니라는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 지하에서 자연적으로 발생하여 추출 및 정제 후 에너지를 제공하는 화석 연료와 달리, 수소 생산은 항상 연료로 공급하는 것보다 더 많은 에너지를 소비합니다.
대신 수소는 에너지 운반체입니다. 수소는 원래 다른 에너지원에서 제공하던 에너지를 저장, 운송 및 활용할 수 있게 해줍니다.
수소 연료 생산을 위해 풍력이나 태양열과 같이 간헐적인 에너지원을 사용하는 경우에는, 수소는 이 간헐적인 에너지원의 최대 출력 기간 동안 생성된 잉여 에너지를 저장하는 수단으로 사용됩니다. 연료 전지를 사용하면 시간과 장소에 구애 받지 않고 다양한 분야에서 이 에너지를 사용할 수 있습니다. 이것이 바로 수소 연료 전지가 청정 에너지 기술 및 산업 탈탄소화에서 수행하는 중요한 역할입니다.
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배터리 대비 장점
- 리튬 이온 전기 배터리와 마찬가지로 수소 연료 전지를 사용하면 재생 에너지를 다양한 용도로 활용할 수 있습니다. 배터리와 달리 연료 전지는 에너지를 직접 저장하지 않고 수소 저장 탱크의 연료를 에너지로 변환합니다.
- 수소 연료 전지는 리튬 이온 배터리에 비해 몇 가지 장점이 있습니다.
- 첫째, 수소는 일반적인 배터리보다 에너지 밀도가 훨씬 높습니다. 자동차 애플리케이션에서 수소 연료 전지와 저장 탱크를 사용하면 동급 배터리 구동 차량 설계보다 더 적은 무게로 더 긴 주행 거리를 확보할 수 있습니다.
- 둘째, 수소의 충전은 배터리 충전보다 평균적으로 훨씬 빠릅니다. 이는 차량 충전 시간을 최소화해야 하는 상업용 운송 및 배송(장거리 트레일러 트럭 및 가정 배송 용 트럭)에서 매우 중요합니다.
- 마지막으로 수소 연료 전지는 대부분의 리튬 이온 배터리보다 수명이 훨씬 길고 재활용성이 높습니다. 따라서 연료 전지 제조 과정에서 발생하는 탄소 배출량이 줄어듭니다.
신소재 사업 솔루션 살펴보기
3M은 연료 전지와 에너지 기술 분야에서 수십 년간 쌓아온 경헙을 바탕으로 수소 경제 미래와 함께 하겠습니다.
