수소 연료 전지의 기초 | 동작 원리 이해하기(수전해/부생수소/개질수소)

수소 연료 전지는 내연기관이 연료의 연소를 발생시켜 동력을 얻는 것과는 다르게 전기 화학적인 반응을 통해 전기를 생산하는 장치이다. 수소 연료 전지는 수소와 산소를 결합시켜 전기, 열, 물을 생성한다. 수소 연료 전지는 오늘날 가정과 기업에 전력을 공급하고 병원, 데이터베이스 센터와 같이 중요 시설을 가동 및 운영하며 자동차, 버스, 트럭, 지게차, 기차 등 차량의 에너지원으로 사용되고 있다. 이러한 수소 연료 전지 시스템은 원유와 석탄을 기반으로 하는 내연기관보다 훨씬 깨끗하고 효율적이며 안정적이고 소음이 적은 것이 특징이다. 수소 연료 전지는 전고체 배터리(2차 전지)처럼 주기적으로 충전할 필요가 없으며, 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 생산한다.

 

 

수소 연료 전지는 양극(Anode), 음극(Cathode), 전해질막(Electrolyte Membrane)으로 구성된다. 일반적인 수소 연료 전지는 연료 전지의 양극에 수소를 통과시키고 음극에 산소를 통과시켜 작동한다. 촉매는 양극에서 수소 분자를 전자와 양성자로 나눈다. 수소 분자에서 이탈된 양성자는 다공성 전해질 막(즉, 멤브레인)을 통과하고, 전자는 회로를 통해 강제로 전류와 열을 생성한다. 전자가 회로를 지나 다시 양성자와 만나기 전까지 전자의 위치는 변화할 수 밖에 없으며, 위치의 변화 즉, 위치에너지의 변화를 전위차라고 한다. 이 전위차의 높낮이에 따라 수소 연료 전지의 전압 또한 강하거나 약해진다. 이후 음극에서 양성자, 전자 및 산소가 결합하여 물 분자를 생성한다. 기계적으로 움직이는 부품이 없기 때문에 수소 연료 전지는 조용하고 매우 높은 신뢰성으로 작동한다.

 

이러한 화학적 성질때문에 수소 연료 전지는 매우 깨끗하다. 순수한 수소 연료를 사용하는 수소 연료 전지는 탄소를 아예 배출하지 않으며, 화학적 부산물은 전기, 열 및 물뿐이다.(= 수전해 수소 | 그린 수소) 일부 다른 유형의 수소 연료 전지 시스템은 천연가스, 바이오 가스, 메탄올 등과 같이 탄화수소 연료를 사용하고 있다.(= 부생 수소 & 개질 수소 | 그레이 수소) 수소 연료 전지는 연소가 아닌 화학 물질을 통해 전기를 생성하기 때문에 증기 터빈 및 내연 기관과 같은 기존 에너지 생산 방식보다 훨씬 더 높은 효율을 자랑한다. 효율성을 더욱 높이려면 수소 연료 전지에 난방 또는 냉방 용도로 사용했던 전지의 폐열을 사용하는 열병합 발전 시스템과 결합할 수 있다.

 

수소 연료 전지는 확장 또한 가능하다. 개별 수소 연료 전지가 스택을 형성하여 서로 결합될 수 있다. 이러한 스택은 더 큰 시스템으로 결합될 수 있다. 수소 연료 전지 시스템은 내연기관 자동차의 연소 엔진 교체부터 전력망에 직접 전기를 공급하는 대규모 멀티 메가와트 설치에 이르기까지 범위가 매우 다양하다. 다음은 수소 연료 전지의 몇 가지 고유한 특징을 나열한 것이다.

 

• 저배출량
• 고효율
• 신뢰할 수 있음
• 연료 유연성
• 에너지 안보
• 내구성
• 확장성
• 조용한 작동