#12 실생활 속 수전해
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2020.07.06 / 1,622관련링크
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안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는
(주)케이워터크레프트입니다.
지난 시간에는 미래 수전해의 전망에 관하여 알아보았는데요.
오늘은 수전해가 실생활에 쓰이는 사례에 대해 알아보겠습니다.
앞서 알아봤듯이, 수전해(Water Electrolysis)란 물의 전기화학반응을 통해
수소와 부산물로 산소를 생산하는 기술을 일컫습니다.
이산화탄소 같은 온실가스는 물론이고 오염물질 없이 수소를 생산할 수 있는
청정기술이기 때문에 에너지신산업 도약에 있어 핵심이 되는 기술입니다.
이러한 수전해는 다양한 분야에서 실생활에 쓰이고 있습니다.
그중에서도 수전해를 이용한 수소연료전지의 이용기술과 그 사례에 대해 알아보겠습니다.
1. 수소연료전지
연료전지란 말 그대로 연료를 사용하여 전기를 만들어내는 장치로서, '3차 전지'라고도 부릅니다.
연료나 재질에 따라 PEMFC, SOFC, MCFC 등의 다양한 종류가 존재합니다.
연료전지는 연료를 태워서 발전기를 돌리는 것이 아니라
연료의 화학반응에서 직접 전기를 얻습니다.
수소연료전지는 수소와 산소를 사용하는 것으로서,
수소와 산소가 반응하여 물이 만들어지는 반응을 사용합니다.
(1) PEMFC(고분자 전해질 연료전지)
PEMFC(고분자 전해질 연료전지)의 경우
수소와 산소를 사용하는 연료전지의 음극(anode)에서는
H2인 수소가 2개의 수소 이온과 2개의 전자로 분해됩니다.
전자는 도선을 타고 양극(cathode)로 이동하고,
수소 이온은 전해질(electrolyte)를 통과하여 양극으로 이동하게 됩니다.
양극에서는 이동해온 수소 이온과 전자, 산소가 반응하여 물이 생성됩니다.
PEMFC의 구조
이와 같은 PEMFC는 무공해자동차의 동력원 외에도
분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등
그 응용범위가 매우 다양합니다.
PEMFC에 대한 연구는 1955년 미국의 GE에서 처음으로 시작되어
1962년에 이미 1kW급 PEMFC 스택 2개로 이루어진 모듈을
Gemini 우주선 3호부터 12호에 사용하였습니다.
Gemini 1호부터 12호까지 발사장면
출처. Wikipedia
이후로 PEMFC를 연료전지자동차 등 민간용으로 응용하기 위한 연구가
전 세계적으로 활발하게 진행되고 있습니다.
㈜케이워터크레프트에서도 PEMFC를 이용하여 다양한 제품의 전력원으로 개발 중입니다.
㈜케이워터크레프트에서는 고도정수처리된 물로
수전해 시스템을 통해 수소에너지를 생산하고 저장하고 있습니다.
이때 100% 태양광을 사용하여 수전해를 통해 수소를 생성해냅니다.
이렇게 생산된 수소에너지는 연료전지를 통해 ㈜케이워터크레프트의 에너지자립형 수소발전시스템인
워터스테이션와 수소선박인 워터보트, 공기청정기 워터에어 등의 제품을 가동시킵니다.
㈜케이워터크레프트의 워터스테이션
㈜케이워터크레프트의워터에어
㈜케이워터크레프트의워터보트
(2) SOFC(고체산화물 연료전지)
SOFC(고체산화물 연료전지)의 경우
양극(anode)에서 산소가 산소이온과 전자로 분리되고
음극에서 산소이온, 수소, 전자가 반응하여 물이 생성됩니다.
이 과정에서 존재하는 전자의 이동을 전력으로서 사용한다는 것이 기본 개념입니다.
SOFC의 구조
이와 같은 SOFC의 주요 응용분야는 정치형 연료전지와 이동형 연료전지로 나눌 수 있습니다.
정치형 연료전지는 가정용, 건물용 및 분산발전용을 말하는데 SOFC의 시스템 소형화가 가능한 장점과,
고효율 친환경 특성을 이용하여 가정용 같은 경우 전기와 온수(열)에 대한 수요를 충족시키고
전력수요지 근처에 배치되고 있습니다.
STX중공업이 개발한 1kW급 SOFC 시스템 ‘encube’
출처. 월간수소경제
그리고 이동형 연료전지는 수송장치의 보조전원 및 군사 목적용입니다.
차량 혹은 선박과 같은 운송 수단은
고효율, 친환경, 소형화 등의 특성을 갖고 있는 SOFC의 좋은 적용처이고,
냉장설비를 계속 가동시켜야 되는 특장차, 군용의 전차 등 전력이 많이 소요되는 차 또는 디젤연료 사용 트럭 등에 보조 전원으로 적합합니다.
현재 항공분야에서 SOFC는 일부 제한적으로 적용되고 있으나,
기술발전과 더불어 작동온도가 낮아지고 성능이 향상되면 응용분야가 증가할 것으로 전망됩니다.
대표적으로 대형여객기 제작업체인 Airbus와 Boeing은 항공기 보조동력장치(APU)에 SOFC를 적용한
하이브리드 방식으로 효율을 높이는 기술을 개발하고 있으며,
향후 소형항공기에 적용하기 위한 시도가 가시화될 전망입니다.
SOFC APU system
SOFC의 항공기 적용은 연료소모율 감소와 더불어
유해한 배기가스를 저감시킴으로서 미래 친환경 고효율 항공기 개발에 기여하게 될 것입니다.
참고문헌.
고체산화물 연료전지(SOFC)의 국내외 동향(송근수)
고효율 수전해 기술(우상국, 유주현, 문상봉)
미래 항공용 고체산화물 연료전지(SOFC) 성능향상 연구동향(한창환, 김근배)
수전해 수소제조기술, 기후변화대응기술로 주목해야(김창희)
수전해 장치 기술 개요 및 전망(이택홍)
http://www.horizonfuelcell.co.kr
오늘은 수전해가 실생활에 쓰이는 사례에 대하여 알아보았습니다.
다음 시간에는 연료전지의 특성과 종류에 대해 소개해드리겠습니다.
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