연료전지

Fuel cell
기타 용도는 연료 전지(동음이의도)를 참조하십시오.
직접 메탄올 연료전지(black layered cube)의 인클로저 모델.
양성자 전도성 연료전지의 설계도

연료 전지는 연료(종종 수소)와 산화제(종종 산소[1])의 화학 에너지를 한 쌍의 산화 환원 반응을 통해 전기로 변환하는 전기 화학 전지입니다.[2] 연료 전지는 대부분의 배터리와 달리 화학 반응을 지속하기 위해 지속적인 연료 및 산소 공급원(보통 공기에서)을 필요로 하는 반면, 배터리에서 화학 에너지는 일반적으로 배터리에 이미 존재하는 물질에서 발생합니다.[3] 연료전지는 연료와 산소가 공급되는 한 지속적으로 전기를 생산할 수 있습니다.

최초의 연료 전지는 1838년 윌리엄 그로브 경에 의해 발명되었습니다. 1932년 프란시스 토마스 베이컨에 의해 수소-산소 연료 전지가 발명된 후 거의 한 세기 후에 연료 전지의 첫 상업적 사용이 이루어졌습니다. 발명가의 이름을 따서 베이컨 연료 전지라고도 알려진 알칼리성 연료 전지는 1960년대 중반부터 나사의 우주 프로그램에서 위성과 우주 캡슐을 위한 전력을 생산하는 데 사용되었습니다. 그 이후로 연료 전지는 다른 많은 응용 분야에 사용되었습니다. 연료 전지는 상업용, 산업용 및 주거용 건물과 멀리 떨어져 있거나 접근할 수 없는 지역에서 기본 및 백업 전력으로 사용됩니다. 또한 지게차, 자동차, 버스, 기차, 보트, 오토바이 및 잠수함을 포함한 연료 전지 차량에 동력을 공급하는 데 사용됩니다.

연료 전지에는 여러 종류가 있지만 모두 양극, 음극, 전해질로 구성되어 있어 이온, 종종 양전하를 띤 수소 이온(양성자)이 연료 전지의 양쪽 사이를 이동할 수 있습니다. 연료극에서 촉매는 연료가 이온(종종 양전하를 띤 수소 이온)과 전자를 생성하는 산화 반응을 일으키게 합니다. 이온은 전해질을 통해 양극에서 음극으로 이동합니다. 동시에 전자는 외부 회로를 통해 양극에서 음극으로 흘러 직류 전기를 생산합니다. 음극에서 또 다른 촉매는 이온, 전자, 산소가 반응하여 물과 다른 생성물을 형성합니다. 연료 전지는 사용하는 전해질의 종류와 양성자 교환막 연료 전지(PEM 연료 전지 또는 PEMFC)의 경우 1초에서 고체 산화물 연료 전지(SOFC)의 경우 10분 사이의 시동 시간 차이에 따라 분류됩니다. 관련 기술은 충전으로 연료를 재생할 수 있는 플로우 배터리입니다. 개별 연료 전지는 약 0.7V의 비교적 작은 전위를 생성하므로, 전지는 애플리케이션의 요구 사항을 충족하기에 충분한 전압을 생성하기 위해 "적층"되거나 직렬로 배치됩니다.[4] 전기 이외에도 연료 전지는 수증기, 열 및 연료 공급원에 따라 매우 적은 양의 이산화질소 및 기타 배출물을 생성합니다. PEMFC 셀은 일반적으로 SOFC 셀보다 질소 산화물을 적게 생산합니다. 이는 낮은 온도에서 작동하고 수소를 연료로 사용하며 NOx를 형성하는 양성자 교환막을 통해 양극으로 질소가 확산되는 것을 제한합니다. 연료 전지의 에너지 효율은 일반적으로 40~60%이지만, 폐열을 열병합 발전 방식으로 포착하면 최대 85%의 효율을 얻을 수 있습니다.[5]

역사

연도별로 다른 전기화학 전력원에 대한 특허 패밀리(실선) 및 비특허 간행물의 수.또한 마젠타 라인으로 표시되는 것은 선형 규모의 인플레이션 조정 유가입니다.
주 기사: 수소 기술 연표
윌리엄 그로브 경의 1839년 연료전지 스케치

수소 연료 전지에 대한 최초의 언급은 1838년에 나타났습니다. 1838년 10월로 날짜가 잡혔지만 1838년 12월에 런던과 에딘버러 철학 잡지와 과학 저널에 출판된 편지에서 웨일스의 물리학자이자 변호사인 윌리엄 그로브 경은 그의 첫 번째 원유 연료 전지의 개발에 대해 썼습니다. 그는 철판, 구리판, 자기판을 혼합하고, 구리의 황산염과 묽은 산을 혼합한 용액을 사용했습니다.[6][7] 1838년 12월에 쓰여졌지만 1839년 6월에 출판된 같은 출판물에 보낸 편지에서 독일 물리학자 크리스티안 프리드리히 쇤바인은 자신이 발명한 최초의 원유 연료 전지에 대해 논의했습니다. 그의 편지는 물에 녹아 있는 수소와 산소에서 발생하는 전류에 대해 논의했습니다.[8] 그로브는 이후 1842년 같은 저널에 자신의 디자인을 스케치했습니다. 그가 만든 연료전지는 오늘날의 인산 연료전지와 비슷한 물질을 사용했습니다.[9][10]

1932년, 영국의 기술자 프란시스 토마스 베이컨은 5kW의 고정식 연료 전지를 개발하는데 성공했습니다.[11] 나사는 1960년대 중반부터 발명가의 이름을 따서 베이컨 연료 전지라고도 알려진 알칼리성 연료 전지(AFC)를 사용했습니다.[11][12]

1955년에 W. General Electric Company (GE)에서 일하는 화학자 Thomas Grubb는 황산염 폴리스티렌 이온 교환 막을 전해질로 사용하여 원래 연료 전지 설계를 더욱 수정했습니다. 3년 후, 또 다른 GE 화학자인 레오나르드 니드라흐는 필요한 수소 산화 및 산소 환원 반응의 촉매 역할을 하는 백금을 막에 증착하는 방법을 고안했습니다. 이는 "그루브 니드라흐 연료전지"로 알려지게 되었습니다.[13][14] GE는 NASA 및 맥도넬 항공과 함께 이 기술을 개발하여 프로젝트 제미니 동안 사용하게 되었습니다. 이것은 연료 전지의 첫 번째 상업적 사용이었습니다. 1959년, 해리 아이릭(Harry Ihrig)이 이끄는 팀이 앨리스-찰머스(Allis-Chalmers)를 위한 15kW 연료 전지 트랙터를 만들었고, 이것은 주 박람회에서 미국 전역에서 시연되었습니다. 이 시스템은 전해질로 수산화칼륨을 사용하고 반응물로 압축 수소와 산소를 사용했습니다. 그 후 1959년, 베이컨과 그의 동료들은 용접기에 동력을 공급할 수 있는 실용적인 5킬로와트 단위를 시연했습니다. 1960년대, 프랫 앤 휘트니는 전기와 식수(수소와 산소는 우주선 탱크에서 쉽게 구할 수 있음)를 공급하기 위한 미국 우주 프로그램에 사용하기 위해 베이컨의 미국 특허를 허가했습니다. 1991년 로저 E. 빌링스에 의해 최초의 수소 연료 전지 자동차가 개발되었습니다.[15][16][17]

UTC Power는 병원, 대학 및 대규모 사무실 건물에서 열병합 발전소로 사용하기 위한 고정식 대형 연료 전지 시스템을 제조하고 상용화한 최초의 회사였습니다.[18]

연료 전지 산업과 연료 전지 개발에 대한 미국의 역할을 인정받아 미국 상원은 2015년 10월 8일을 국가 수소 및 연료 전지의 날로 인정하여 S.RES 217을 통과했습니다. 날짜는 수소의 원자량(1.008)을 인정받아 선정되었습니다.[19]

연료 전지의 종류; 설계

연료 전지는 다양한 종류가 있지만 모두 동일한 일반적인 방식으로 작동합니다. 양극, 전해질 및 음극의 세 개의 인접한 세그먼트로 구성됩니다. 세 가지 다른 분절의 계면에서 두 가지 화학 반응이 일어납니다. 두 반응의 최종 결과는 연료가 소비되고 물 또는 이산화탄소가 생성되며 전류가 생성되어 일반적으로 부하라고 하는 전기 장치에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있습니다.

연료극에서 촉매는 연료를 이온화하여 연료를 양전하를 띤 이온과 음전하를 띤 전자로 바꿉니다. 전해질은 이온이 통과할 수 있도록 특별히 설계된 물질이지만 전자는 통과할 수 없습니다. 자유롭게 된 전자는 전선을 통해 이동하여 전류를 만듭니다. 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동합니다. 일단 음극에 도달하면, 이온들은 전자와 재결합되고 두 개는 물 또는 이산화탄소를 생성하기 위해 세 번째 화학물질, 보통 산소와 반응합니다.

연료전지의 구성도

연료 전지의 설계 특징은 다음과 같습니다.

  • 일반적으로 연료전지의 종류를 결정하는 전해질 물질은 수산화칼륨, 탄산염, 인산염 등 다양한 물질로 만들 수 있습니다.[20]
  • 사용되는 연료. 가장 일반적인 연료는 수소입니다.
  • 보통 미세한 백금 분말인 양극 촉매는 연료를 전자와 이온으로 분해합니다.
  • 공기극 촉매, 종종 니켈은 이온을 폐 화학 물질로 전환하며, 물은 가장 일반적인 유형의 폐기물입니다.[21]
  • 산화에 저항하도록 설계된 가스 확산층.[21]

일반적인 연료 전지는 최대 정격 부하에서 0.6~0.7V의 전압을 생성합니다. 전류가 증가함에 따라 전압이 감소하는 이유는 다음과 같습니다.

  • 활성화손실
  • Ohmic loss(셀 구성 요소 및 상호 연결의 저항으로 인한 전압 강하)
  • 대량 수송 손실(고부하 상태에서 촉매 부위의 반응물이 고갈되어 전압이 급격히 손실됨).[22]

원하는 양의 에너지를 공급하기 위해 연료 전지를 직렬로 결합하여 더 높은 전압을 산출하고 병렬로 결합하여 더 높은 전류를 공급할 수 있습니다. 그러한 디자인을 연료 전지 스택이라고 합니다. 또한 셀 표면적을 증가시켜 각 셀에서 더 높은 전류를 허용할 수 있습니다.

양성자교환막 연료전지

주품: 양성자교환막 연료전지
고온 PEMFC의 구성: 전도성 복합재(흑연, 카본 블랙, 카본 파이버 및/또는 카본 나노 튜브로 보강)[23]로 제조된 밀링된 가스 채널 구조의 전극으로서 바이폴라 플레이트 다공성 탄소 종이, 일반적으로 적용되는 고분자 막 위에 반응층, 고분자 막.
공기 채널 벽에서 PEMFC에 의해 생성된 물의 응축. 셀 주변의 금선은 전류 수집을 보장합니다.[24]
비귀금속 촉매 양극 및 Pt/[25]C 양극을 이용한 PEMFC MEA 단면의 SEM micrograph 선명도를 위해 거짓 색상을 적용했습니다.

전형적인 수소-산화물 양성자-교환막 연료전지(PEMFC) 설계에서, 양성자-전도성 고분자 막(일반적으로 나피온)은 양극과 음극을 분리하는 전해질 용액을 포함합니다.[26][27] 이것은 양성자 교환 메커니즘이 잘 이해되기 전인 1970년대 초에 고체 고분자 전해질 연료 전지(SPEFC)라고 불렸습니다. (동음이의 고분자 전해질막과 양성자 교환 메커니즘은 동일한 머리글자를 생성한다는 것에 주목합니다.)

수소는 양극 쪽에서 양극 촉매로 확산되어 나중에 양성자와 전자로 해리됩니다. 이 양성자들은 종종 산화제와 반응하여 흔히 다중 촉진 양성자 막이라고 불리는 것이 됩니다. 양성자는 멤브레인을 통해 음극으로 전도되지만 멤브레인이 전기 절연성이기 때문에 전자는 외부 회로(전원 공급)로 이동할 수밖에 없습니다. 공기극 촉매에서 산소 분자는 외부 회로를 통과한 전자 및 양성자와 반응하여 물을 형성합니다.

이러한 순수 수소 유형 외에도 디젤, 메탄올(직접-메탄올 연료 전지 및 간접-메탄올 연료 전지 참조) 및 화학적 수소화물을 포함한 연료 전지용 탄화수소 연료가 있습니다. 이러한 유형의 연료가 있는 폐기물은 이산화탄소와 물입니다. 수소가 사용되면 천연가스의 메탄이 증기와 결합하여 수소를 생산할 때 CO가2 방출됩니다. 이는 연료 전지의 다른 위치에서 발생할 수 있으며, 이로 인해 수소 연료 전지를 실내에서 사용할 수 있습니다. 예를 들어 포크 리프트에서 사용할 수 있습니다.

PEMFC의 다양한 구성 요소는

  1. 바이폴라 플레이트,
  2. 전극,
  3. 촉매,
  4. 막, 그리고
  5. 집전기와 [28]개스킷과 같은 필요한 하드웨어

연료 전지의 여러 부품에 사용되는 재료는 종류에 따라 다릅니다. 바이폴라 플레이트는 금속, 코팅 금속, 흑연, 유연 흑연, C-C 복합재, 탄소-고분자 복합재 등과 같은 다양한 유형의 재료로 제조될 수 있습니다.[29] 막 전극 조립체(MEA)는 PEMFC의 심장이라고 하며, 일반적으로 두 개의 촉매 코팅된 탄소 종이 사이에 끼워진 양성자 교환 막으로 구성됩니다. 백금 및/또는 이와 유사한 유형의 귀금속이 보통 PEMFC의 촉매로 사용되며, 이들은 일산화탄소에 의해 오염될 수 있으므로 비교적 순수한 수소 연료가 필요합니다.[30] 전해질은 고분자 막일 수 있습니다.

양성자 교환막 연료전지 설계 문제

비용.
2013년 에너지부는 80kW 자동차 연료전지 시스템 비용을 연간 100,000대, 연간 50,000대의 자동차 생산량을 가정할 경우 킬로와트당 미화 67달러, 킬로와트당 미화 55달러를 달성할 수 있을 것으로 추정했습니다.[31] 많은 기업들이 각각의 개별 셀에서 필요한 백금의 양을 줄이는 것을 포함하여 다양한 방법으로 비용을 줄이기 위한 기술을 연구하고 있습니다. Ballard Power Systems는 성능 저하 없이 백금 사용량을 30%(1.0–0.7 mg/cm2) 줄일 수 있는 카본 실크로 강화된 촉매를 사용하여 실험했습니다.[32] Monash University, Melbourne은 음극으로 PEDOT를 사용합니다.[33] 비교적 저렴한 도핑된 탄소나노튜브를 이용한 무금속 전기촉매는 2011년에 발표된 연구를[34] 통해 백금의 1% 이하의 비용과 동등하거나 우수한 성능을 갖는 것으로 보고되었습니다. 백금의 탄소기판으로 탄소나노튜브를 사용할 경우 환경적 부담이 어떻게 변하는지를 최근에 발표된 기사를 통해 확인할 수 있었습니다.[35]
물과 공기 관리[36][37](PEMFC 내)
이러한 유형의 연료 전지에서는 멤브레인에 수분을 공급해야 하므로 물이 생성되는 속도와 정확히 동일한 속도로 증발되어야 합니다. 물이 너무 빨리 증발하면 막이 마르고, 막을 가로지르는 저항이 증가하고, 결국 균열이 생겨 수소와 산소가 직접 결합하는 가스 '합선'이 생겨 연료전지가 손상되는 열이 발생합니다. 물이 너무 느리게 증발하면 전극이 범람하여 반응물이 촉매에 도달하지 못하고 반응이 중단됩니다. 세포 내 물을 관리하는 방법은 유량 조절에 초점을 맞춘 전기 삼투 펌프처럼 개발되고 있습니다. 연소 엔진에서와 마찬가지로 연료 전지를 효율적으로 작동시키기 위해서는 반응물과 산소의 일정한 비율이 필요합니다.
온도관리
열 부하를 통해 셀이 파괴되는 것을 방지하기 위해서는 셀 전체에 동일한 온도를 유지해야 합니다. 이는 2H + O → 2HO 반응이 발열성이 높아 연료 전지 내에서 많은 양의 열이 발생하기 때문에 특히 어렵습니다.
내구성, 사용 수명 및 일부 유형의 셀에 대한 특수 요구 사항
고정식 연료 전지는 일반적으로 -35 °C ~ 40 °C (-31 °F ~ 104 °F)의 온도에서 40,000 시간 이상의 안정적인 작동이 필요한 반면, 자동차 연료 전지는 극한의 온도에서 5,000 시간의 수명(240,000 km 또는 150,000 mi에 해당)이 필요합니다. 현재 사용 수명은 2,500시간(약 12만km 또는 75,000마일)입니다.[38] 또한 자동차 엔진은 -30 °C(-22 °F)에서 안정적으로 시동을 걸 수 있어야 하며 높은 출력 대 부피 비율(일반적으로 2.5 kW/L)을 가져야 합니다.
일부(비-PEDOT) 음극의 제한된 일산화탄소 내성.[30]

인산 연료전지

주 기사: 인산 연료전지

인산 연료 전지(PAFC)는 1961년 G.V. Elmore와 H. A. Tanner에 의해 처음 설계되고 소개되었습니다. 이러한 셀에서 인산은 양극에서 음극으로 양성자를 전달하고 외부 전기 회로를 통해 전자가 양극에서 음극으로 이동하도록 하기 위한 비전도성 전해질로 사용됩니다. 이 전지들은 일반적으로 150~200°C의 온도에서 작동합니다. 이 고온은 열을 제거하고 적절하게 사용하지 않으면 열과 에너지 손실을 초래합니다. 이 열은 에어컨 시스템 또는 기타 열 에너지 소비 시스템을 위한 증기를 생산하는 데 사용할 수 있습니다.[39] 이 열 병합 발전을 이용하면 인산 연료 전지의 효율을 40~50%에서 약 80%[39]까지 향상시킬 수 있습니다. 양극의 양성자 생성 속도가 작기 때문에 백금을 촉매로 사용하여 이 이온화 속도를 높입니다. 이러한 셀의 주요 단점은 산성 전해질을 사용한다는 것입니다. 이는 인산에 노출된 성분의 부식이나 산화를 증가시킵니다.[40]

고체 산 연료 전지

주 기사: 고체 산 연료 전지

고체 산 연료 전지(SAFC)는 고체 산 물질을 전해질로 사용하는 것이 특징입니다. 낮은 온도에서 고체 산은 대부분의 염과 같이 질서 있는 분자 구조를 가지고 있습니다. 따뜻한 온도4(CsHSO의 경우 140 ~ 150 °C 사이)에서 일부 고체 산은 상전이를 거쳐 매우 무질서한 "초전성" 구조가 되며, 이는 전도성을 몇 배 증가시킵니다. 최초의 개념 증명 SAFC는 세슘 황산염(CsHSO4)을 사용하여 2000년에 개발되었습니다.[41] 현재의 SAFC 시스템은 인산세슘(CsHPO24)을 사용하고 있으며 수천 시간 동안 수명을 입증했습니다.[42]

알칼리성 연료전지

주요 기사: 알칼라인 연료전지와 알칼라인 음이온 교환막 연료전지

알칼리성 연료전지(AFC) 또는 수소-산소 연료전지는 1959년 프란시스 토마스 베이컨(Francis Thomas Bacon)에 의해 설계되고 처음 공개적으로 시연되었습니다. 아폴로 우주 프로그램에서 전기 에너지의 주요 공급원으로 사용되었습니다.[43] 셀은 Pt, Ag, CoO 등과 같은 적절한 촉매로 함침된 두 개의 다공성 탄소 전극으로 구성됩니다. 두 전극 사이의 공간은 전해질 역할을 하는 KOH 또는 NaOH의 농축 용액으로 채워져 있습니다. H2 가스와 O 가스는 다공성 탄소 전극을2 통해 전해질로 버블링됩니다. 따라서 전체적인 반응은 수소 가스와 산소 가스가 결합하여 물을 형성하는 것을 포함합니다. 세포는 반응물의 공급이 소진될 때까지 계속해서 작동합니다. 이 유형의 셀은 343-413 K 온도 범위에서 효율적으로 작동하며 약 0.9 V의 전위를 제공합니다.[44] 알칼리성 음이온 교환막 연료전지(AAEMFC)는 수성 수산화칼륨(KOH) 대신 고체 고분자 전해질을 사용하는 AFC의 일종으로 수성 AFC보다 우수합니다.

고온 연료 전지

고체산화물 연료전지

주 기사: 고체산화물 연료전지

고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 고체 물질, 가장 일반적으로 이트리아 안정 지르코니아(YSZ)라고 불리는 세라믹 물질을 전해질로 사용합니다. SOFC는 전적으로 고체 물질로 만들어지기 때문에 다른 종류의 연료 전지의 평면 구성에 국한되지 않고 압연된 튜브로 설계되는 경우가 많습니다. 높은 작동 온도(800~1000°C)가 필요하며 천연 가스를 포함한 다양한 연료로 작동할 수 있습니다.[5]

SOFC는 다른 모든 유형의 연료 전지의 경우와 마찬가지로 양성자가 반대로 이동하는 대신 음전하를 띤 산소 이온이 음극(연료 전지의 양극 측)에서 양극(연료 전지의 음극 측)으로 이동하기 때문에 독특합니다. 산소 가스는 음극을 통해 공급되어 전자를 흡수하여 산소 이온을 생성합니다. 그런 다음 산소 이온이 전해질을 통해 이동하여 양극에서 수소 가스와 반응합니다. 양극에서의 반응은 부산물로 전기와 물을 생산합니다. 이산화탄소는 연료에 따라 부산물일 수도 있지만 SOFC 시스템의 탄소 배출량은 화석 연료 연소 공장의 탄소 배출량보다 적습니다.[45] SOFC 시스템에 대한 화학 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.[46]

양극 반응 : 2H + 2O → 2HO + 4e
음극 반응: O + 4e → 2O
전체 세포반응 : 2H + O → 2HO

SOFC 시스템은 순수한 수소 가스 이외의 연료로 작동할 수 있습니다. 그러나 위에 나열된 반응에는 수소가 필요하므로 선택된 연료에는 수소 원자가 포함되어 있어야 합니다. 연료 전지가 작동하려면 연료를 순수한 수소 가스로 전환해야 합니다. SOFC는 내부적으로 메탄(천연가스),[47] 프로판 및 부탄과 같은 경탄화수소를 개질할 수 있습니다.[48] 이 연료 전지는 개발 초기 단계에 있습니다.[49]

SOFC 시스템은 높은 작동 온도로 인해 어려움이 있습니다. 그러한 과제 중 하나는 양극에 탄소 먼지가 쌓일 가능성이 있다는 것이며, 이로 인해 내부 개질 과정이 느려집니다. 펜실베니아 대학에서 이 "탄소 코킹" 문제를 해결하기 위한 연구는 구리 기반의 서멧(세라믹과 금속으로 만든 내열 재료)을 사용하면 코킹과 성능 손실을 줄일 수 있다는 것을 보여주었습니다.[50] SOFC 시스템의 또 다른 단점은 SOFC가 모바일 애플리케이션에 덜 유용하다는 것입니다. 이러한 단점에도 불구하고 높은 작동 온도는 백금과 같은 귀금속 촉매의 필요성을 제거하여 비용을 절감하는 이점을 제공합니다. 또한 SOFC 시스템에서 발생하는 폐열을 포집하여 재사용할 수 있어 이론적인 전체 효율을 80-85%[5]까지 높일 수 있습니다.

높은 작동 온도는 YSZ 전해질의 물리적 특성에 크게 기인합니다. 온도가 감소함에 따라 YSZ의 이온 전도도 또한 감소합니다. 따라서 연료전지의 최적의 성능을 얻기 위해서는 높은 작동 온도가 필요합니다. 그들의 웹사이트에 따르면, 영국의 SOFC 연료 전지 제조업체인 세레스 파워는 SOFC 시스템의 작동 온도를 섭씨 500~600도로 낮추는 방법을 개발했다고 합니다. 그들은 일반적으로 사용되는 YSZ 전해질을 CGO(cerium gadolinium oxide) 전해질로 대체했습니다. 작동 온도가 낮아져 셀 기판으로 세라믹 대신 스테인리스 스틸을 사용할 수 있어 시스템의 비용과 시작 시간이 단축됩니다.[51]

용융탄산염 연료전지

주 기사: 용융탄산염 연료전지

용융 탄산염 연료전지(MCFC)는 SOFC와 유사한 650°C(1,200°F)의 높은 작동 온도가 필요합니다. MCFC는 전해질로 탄산리튬 칼륨염을 사용하고, 이 염은 고온에서 액화되어 전지 내에서 전하 이동이 가능합니다. 이 경우 음극 탄산 이온입니다.[52]

SOFC와 마찬가지로 MCFC는 연료극에서 화석 연료를 수소가 풍부한 가스로 전환할 수 있어 외부적으로 수소를 생산할 필요가 없습니다. 개질 과정은 CO2 배출을 발생시킵니다. MCFC 호환 연료에는 천연 가스, 바이오 가스 및 석탄에서 생산되는 가스가 포함됩니다. 기체의 수소는 전해질의 탄산 이온과 반응하여 물, 이산화탄소, 전자 및 소량의 다른 화학 물질을 생성합니다. 전자는 외부 회로를 통해 이동하여 전기를 생성하고 음극으로 돌아갑니다. 거기서 공기에서 나온 산소와 양극에서 재활용된 이산화탄소가 전자와 반응해 전해질을 보충하는 탄산이온을 형성해 회로가 완성됩니다.[52] MCFC 시스템에 대한 화학 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.[53]

양극 반응 : CO + H → HO + CO + 2e
음극 반응 : CO + ½O + 2e → CO
전체 세포 반응: H + ½O → HO

SOFC와 마찬가지로 MCFC의 단점은 작동 온도가 높기 때문에 느린 시동 시간을 포함합니다. 이로 인해 MCFC 시스템은 모바일 애플리케이션에 적합하지 않으며, 이 기술은 고정형 연료 전지 용도로 사용될 가능성이 높습니다. MCFC 기술의 주요 과제는 세포의 짧은 수명입니다. 고온과 탄산염 전해질은 양극과 음극의 부식으로 이어집니다. 이러한 요소는 MCFC 구성 요소의 분해를 가속화하여 내구성과 셀 수명을 감소시킵니다. 연구원들은 성능 저하 없이 셀 수명을 늘릴 수 있는 연료 전지 설계뿐만 아니라 부품의 내식성 재료를 탐구하여 이 문제를 해결하고 있습니다.[5]

MCFC는 불순물에 대한 저항성을 포함하여 다른 연료 전지 기술에 비해 몇 가지 이점을 가지고 있습니다. 이들은 연료극에 탄소가 축적되어 내부 연료 개질 과정이 느려져 성능이 저하되는 것을 의미하는 "탄소 코킹(carbon cocking)"을 하기가 쉽지 않습니다. 따라서 석탄으로 만든 가스와 같은 탄소가 풍부한 연료가 시스템과 호환됩니다. 미국 에너지부는 이 시스템이 석탄을 수소로 바꾸는 과정에서 발생하는 황 및 미립자와 같은 불순물에 저항하도록 만들 수 있다고 가정할 때 석탄 자체가 미래에는 연료 옵션이 될 수도 있다고 주장합니다.[5] MCFC도 상대적으로 효율이 높습니다. 이들은 50%의 연료 대 전기 효율에 도달할 수 있으며, 이는 인산 연료 전지 공장의 37~42% 효율보다 상당히 높습니다. 연료 전지가 터빈과 쌍을 이룰 때 효율은 65%까지 높아질 수 있고, 열을 포착하여 CHP(Compound Heat and Power) 시스템에 사용할 경우 85%까지 높아질 수 있습니다.[52]

코네티컷에 본사를 둔 연료전지 제조업체인 FuelCell Energy는 MCFC 연료전지를 개발하고 판매합니다. 이 회사는 자사의 MCFC 제품이 47%의 전기 효율을 달성하고 CHP 기술을 활용하여 전체적으로 더 높은 효율을 얻을 수 있는 300kW에서 2.8MW에 이르는 시스템이라고 말합니다. DFC-ERG라는 하나의 제품은 가스 터빈과 결합되어 있으며 회사에 따르면 65%[54]의 전기 효율을 달성합니다.

전기저장연료전지

전기 저장 연료 전지는 기존의 전기 화학 효과를 사용하여 전력 입력으로 충전할 수 있는 기존의 배터리입니다. 그러나, 배터리는 대체적으로 배터리를 화학적으로 충전하기 위한 수소(및 산소) 입력을 더 포함합니다.[55]

연료전지 종류 비교

연료전지명 전해질 적격전원(W) 작업온도(°C) 효율성. 상황 비용(USD/W)
감방 시스템.
전기갈바닉 연료전지 알칼리 수용액 < 40 상업/연구 3-7
직접 포름산 연료 전지(DFAFC) 고분자 막(아이오노머) < 50W < 40 상업/연구 10-20
알칼리성 연료전지 알칼리 수용액 10~200kW < 80 60–70% 62% 상업/연구 50-100
양성자교환막 연료전지 고분자 막(아이오노머) 1 W – 500 kW 50–100 (Nafion)[56]
120~200(PBI)[57] 		50–70% 30–50%[58] 상업/연구 50–100
금속 수소화물 연료전지 알칼리 수용액 > −20
(0 °C에서 50peak% P) 		상업/연구 30-200
아연-공기 전지 알칼리 수용액 < 40 대량생산 150-300
직접 탄소 연료 전지 몇가지 다른것 700–850 80% 70% 상업/연구 18
수소화붕소직접연료전지 알칼리 수용액 70 상업의 400-450
미생물연료전지 고분자 막 또는 부식산 < 40 조사. 10-50
UMFC(Uplow Microbial Fuel Cell) < 40 조사. 1-5
재생연료전지 고분자 막(아이오노머) < 50 상업/연구 200-300
직접 메탄올 연료전지 고분자 막(아이오노머) 100 mW – 1 kW 90–120 20–30% 10–25%[58] 상업/연구 125
개질 메탄올 연료전지 고분자 막(아이오노머) 5 W – 100 kW 250-300(reformer)
125~200(PBI) 		50–60% 25–40% 상업/연구 8.50
직접 에탄올 연료전지 고분자 막(아이오노머) < 140mW/cm² > 25
? 90–120 		조사. 12
레독스 연료전지(RFC) 레독스 셔틀 및 폴리머 멤브레인(이오노머)이 있는 액체 전해질 1 kW – 10 MW 조사. 12.50
인산 연료전지 용융인산(HPO34) < 10 MW 150–200 55% 40%[58]
코겐: 90% 		상업/연구 4.00–4.50
고체 산 연료 전지 H-전도성+ 옥시아니온염(고산) 10 W – 1 kW 200–300 55–60% 40–45% 상업/연구 15
용융탄산염 연료전지 용융알칼리탄산염 100 MW 600–650 55% 45–55%[58] 상업/연구 1000
튜브형 고체 산화물 연료전지(TSOFC) 산화2− 세라믹 < 100 MW 850–1100 60–65% 55–60% 상업/연구 3.50
프로토닉 세라믹 연료전지 H-전도성+ 산화 세라믹 700 조사. 80
평면 고체 산화물 연료전지 산화2− 세라믹 < 100 MW 500–1100 60–65% 55–60%[58] 상업/연구 800
효소 바이오 연료 전지 효소를 변성시키지 않는 모든 것 < 40 조사. 10
마그네슘-공기 연료전지 소금물 -20~55 90% 상업/연구 15

표의 용어 사전:

자세한 정보: 연료 전지 용어집
양극
산화(전자의 손실)가 일어나는 전극. 연료 전지 및 기타 갈바닉 전지의 경우 연료극이 음극 단자이고, 전해 전지(전기 분해가 일어나는 곳)의 경우 연료극이 양극 단자입니다.[59]
수용액[60]
물의, 물에 관한, 또는 이와 유사한 것
물로, 함께, 또는 물로 만들어졌습니다.
촉매
반응 속도를 증가시키는 화학 물질; 반응 후, 반응 혼합물로부터 잠재적으로 회수될 수 있고, 화학적으로 변하지 않는 것을 특징으로 하는 화학 물질. 촉매는 필요한 활성화 에너지를 낮춤으로써 반응이 더 빠르게 진행되거나 더 낮은 온도에서 진행될 수 있습니다. 연료 전지에서 촉매는 산소와 수소의 반응을 촉진합니다. 일반적으로 탄소 종이나 천에 아주 얇게 코팅된 백금 분말로 만들어집니다. 촉매는 거칠고 다공성이어서 백금의 최대 표면적이 수소나 산소에 노출될 수 있습니다. 촉매의 백금 코팅된 면은 연료 전지의 멤브레인을 향합니다.[59]
음극
환원(전자의 이득)이 발생하는 전극. 연료 전지 및 기타 갈바닉 전지의 경우 음극이 양극 단자이고, 전해 전지(전기 분해가 일어나는 곳)의 경우 음극이 음극 단자입니다.[59]
전해질
연료 전지, 배터리 또는 전해조에서 한 전극에서 다른 전극으로 전하를 띤 이온을 전도하는 물질.[59]
연료전지 스택
직렬로 연결된 개별 연료 전지. 연료 전지는 전압을 높이기 위해 적층됩니다.[59]
매트릭스
그 안에서 또는 그 안에서 다른 것이 생겨나거나 발전하거나 형태를 취하는 것.[61]
멤브레인
연료 전지 내의 분리층은, 연료 전지의 연료극 및 공기극 구획 내의 기체를 분리하는 배리어 필름 및 전해질(이온 교환기)로서 작용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 내의 분리층.[59]
용융탄산염 연료전지(MCFC)
용융 탄산염 전해질을 포함하는 연료 전지의 일종. 탄산 이온(CO32−)은 음극에서 양극으로 운반됩니다. 작동 온도는 일반적으로 650°C 근처입니다.[59]
인산 연료전지(PAFC)
전해질이 농축 인산(HPO34)으로 구성된 연료 전지의 일종. 양성자(H+)는 양극에서 음극으로 운반됩니다. 작동 온도 범위는 일반적으로 160~220°C입니다.[59]
양성자교환막연료전지
그 전해질로 사용되는 고체 고분자 막을 포함하는 연료전지. 양성자(H+)는 양극에서 음극으로 운반됩니다. LT-PEMFC(Low Temperature Proton-exchange membrane fuel cell)의 작동 온도 범위는 일반적으로 60~100 °C입니다.[59] 작동 온도가 120~200℃인 PEM 연료전지를 고온 양성자 교환막 연료전지(HT-PEMFC)라고 합니다.[62]
고체 산화물 연료 전지(SOFC)
전해질이 고체의 비다공성 금속 산화물이고, 일반적으로 YO로23 처리된 지르코늄 산화물(ZrO2)이며, O가2− 캐소드로부터 애노드로 수송되는 연료 전지의 일종. 개질 가스의 모든 CO는 양극에서 CO로2 산화됩니다. 작동 온도는 일반적으로 800~1,000°C입니다.[59]
해[63]
고체, 액체 또는 기체 물질이 액체 또는 때로는 기체 또는 고체와 균질하게 혼합되는 행위 또는 과정.
이러한 공정에 의해 형성된 균질한 혼합물; 특히 단상 액체 시스템.
용해되는 상태.

선도형 연료전지 유형의 효율성

이론적 최대 효율

에너지를 변환하는 시스템 또는 장치의 에너지 효율은 시스템("출력 에너지")이 투입한 총 에너지량("입력 에너지")에 대한 유용한 에너지량의 비율 또는 총 입력 에너지의 백분율로서 유용한 출력 에너지에 의해 측정됩니다. 연료 전지의 경우, 유용한 출력 에너지는 시스템에서 생산된 전기 에너지로 측정됩니다. 입력 에너지는 연료에 저장된 에너지입니다. 미국 에너지부에 따르면 연료 전지는 일반적으로 에너지 효율이 40~60% 사이라고 합니다.[64] 이는 에너지 생성을 위한 일부 다른 시스템보다 높습니다. 예를 들어, 자동차의 일반적인 내연 기관은 약 25%의 에너지 효율을 가집니다.[65] 증기 발전소는 일반적으로 30-40%[66]의 효율을 달성하는 반면 복합 사이클 가스 터빈과 증기 발전소는 60%[citation needed]까지 높은 효율을 달성할 수 있습니다. 복합 열 및 동력(CHP) 시스템에서는 연료 전지, 핵분열 또는 연소와 같은 기본 전력 사이클에서 발생하는 폐열이 포착되어 사용되므로 시스템의 효율이 최대 85~90%[5]까지 증가합니다.

모든 유형의 발전 시스템의 이론적 최대 효율은 실제로는 달성되지 않으며, 연료의 생산, 운송 및 저장, 전기를 기계적 전력으로 변환하는 것과 같은 발전의 다른 단계는 고려하지 않습니다. 그러나 이 계산을 통해 다양한 발전 유형을 비교할 수 있습니다. 연료 전지의 이론적 최대 효율은 100%[67]에 육박하는 반면, 내연 기관의 이론적 최대 효율은 약 58%[68]에 달합니다.

실제로는.

값은 산성의 경우 40%, 용융 탄산염의 경우 50%, 알칼리성, 고체 산화물 및 PEM 연료 전지의 경우 60%입니다.[69]

연료전지는 수소를 [70]제외하고는 배터리와 같이 에너지를 저장할 수 없지만, 태양열이나 풍력과 같은 불연속적인 소스를 기반으로 하는 독립형 발전소와 같은 일부 응용 분야에서는 전기집전체 및 저장 시스템과 결합하여 에너지 저장 시스템을 형성합니다. 2019년 기준으로 90%의 수소가 정유, 화학, 비료 생산(Haber-Bosch 공정에 수소가 필요한 곳)에 사용되고 있으며, 98%의 수소가 이산화탄소를 배출하는 증기 메탄 개질에 의해 생산되고 있습니다.[71] 순수한 수소와 순수한 산소를 사용하는 이러한 발전소(왕복 효율이라고 함)의 전체 효율(전기에서 수소로, 그리고 다시 전기로)은 가스 밀도 및 기타 조건에 따라 "35~50%"가 될 수 있습니다.[72] 전해조/연료전지 시스템은 무한정의 수소를 저장할 수 있으므로 장기 저장에 적합합니다.

고체 산화물 연료 전지는 산소와 수소의 재결합으로 열을 발생시킵니다. 세라믹은 섭씨 800도까지 뜨겁게 작동할 수 있습니다. 이 열을 포착하여 마이크로 결합 열 및 전력(m-CHP) 애플리케이션에서 물을 가열하는 데 사용할 수 있습니다. 열을 포착하면 장치에서 총 효율이 80~90%에 이를 수 있지만 생산 및 유통 손실은 고려하지 않습니다. CHP 유닛은 오늘날 유럽 가정 시장을 위해 개발되고 있습니다.

제레미 P 교수님. 마이어스(Meyers)는 2008년 전기화학회 저널 인터페이스(Interface)에 "연료전지는 연소 엔진에 비해 효율적이지만, 주로 산소 환원 반응의 비효율성 때문에 배터리만큼 효율적이지는 않습니다. 수소가 물의 전기 분해에 의해 형성되는 경우 산소 발생 반응). [T]그리드에서 분리된 작동 또는 연료를 지속적으로 공급할 수 있는 경우가 가장 합리적입니다. 빈번하고 비교적 빠른 시동이 필요한 애플리케이션의 경우... 창고와 같은 밀폐된 공간에서 배출 제로가 필요하며, 수소가 허용 가능한 반응물로 간주되는 경우 [PEM 연료 전지]는 [배터리 교환이 불편한 경우] 점점 더 매력적인 선택이 되고 있습니다.[73] 2013년에 군사 조직들은 군인들이 운반하는 배터리 무게를 크게 줄일 수 있는지를 결정하기 위해 연료 전지를 평가하고 있었습니다.[74]

차량내

연료 전지 차량에서 탱크 대 휠 효율은 낮은 부하에서[75] 45% 이상이며 NEDC(New European Driving Cycle)와 같은 주행 사이클이 테스트 절차로 사용될 때 약 36%의 평균값을 보여줍니다.[76] 디젤 차량의 NEDC 값은 22%입니다. 2008년 Honda는 연료 스택이 60%의 탱크 대 휠 효율을 자랑하는 실증 연료 전지 전기 자동차(Honda FCX Clarity)를 출시했습니다.[77]

연료 생산, 운송 및 저장으로 인한 손실도 고려하는 것이 중요합니다. 압축 수소로 주행하는 연료전지 차량은 수소를 고압가스로 저장할 경우 발전소 대 바퀴 효율이 22%, 액체 수소로 저장할 경우 17%에 이를 수 있습니다.[78]

적용들

연료전지 추진식 212형 잠수함. 드라이 도크에서의 이 예는 독일 해군에 의해 운영됩니다.

힘

참고 항목: 수소연료전지발전소

고정식 연료 전지는 상업용, 산업용 및 주택용 1차 및 백업 발전에 사용됩니다. 연료 전지는 우주선, 원격 기상 관측소, 대규모 공원, 통신 센터, 연구소를 포함한 시골 지역 및 특정 군사 애플리케이션과 같은 원격 지역의 전력원으로 매우 유용합니다. 수소로 작동하는 연료 전지 시스템은 소형화 및 경량화가 가능하며 주요 이동 부품이 없습니다. 연료 전지는 움직이는 부품이 없고 연소를 수반하지 않기 때문에 이상적인 조건에서는 최대 99.9999%의 신뢰성을 얻을 수 있습니다.[79] 이는 6년 동안 다운타임이 1분 미만인 것과 같습니다.[79]

연료전지 전해조 시스템은 연료를 자체적으로 저장하는 것이 아니라 외부 저장 장치에 의존하기 때문에 대규모 에너지 저장에 성공적으로 적용될 수 있으며, 농촌 지역을 한 예로 들 수 있습니다.[80] 고정식 연료 전지는 종류가 다양하기 때문에 효율은 다양하지만 대부분 에너지 효율이 40%에서 60% 사이입니다.[5] 그러나 열병합 발전 시스템에서 연료 전지의 폐열을 사용하여 건물을 난방할 경우 이 효율은 85%[5]까지 증가할 수 있습니다. 이는 에너지 효율이 약 1/3에 불과한 전통적인 석탄 발전소보다 훨씬 효율적입니다.[81] 대규모 생산을 가정할 때, 연료 전지는 열병합 발전 시스템에서 사용될 때 에너지 비용을 20-40% 절약할 수 있습니다.[82] 또한 연료 전지는 전통적인 발전보다 훨씬 더 깨끗합니다. 천연 가스를 수소 공급원으로 사용하는 연료 전지 발전소는 기존 연소 시스템에서 발생하는 25파운드의 오염 물질과 비교하여 1,000kW·h가 발생할 때마다 1온스 미만의 오염 물질(CO2 이외의 오염 물질)을 발생시킵니다.[83] Fuel Cells는 또한 기존 석탄 화력 발전소보다 질소 산화물 배출량이 97% 적습니다.

그러한 시범 프로그램 중 하나가 워싱턴 주의 스튜어트 섬에서 운영되고 있습니다. Stuart Island Energy Initiative는[84] 완전한 폐쇄 루프 시스템을 구축했습니다. 태양 전지판은 수소를 만드는 전해조에 동력을 공급합니다. 이 수소는 제곱인치당 200파운드(1,400kPa)의 500Us-Gallon(1,900L) 탱크에 저장되며, ReliOn 연료 전지를 작동시켜 전력망 밖의 거주지까지 완전한 전기 백업을 제공합니다. 또 다른 폐쇄형 시스템 루프는 2011년 말 뉴욕 헴스테드에서 공개되었습니다.[85]

연료 전지는 매립지나 폐수 처리 공장의 저품질 가스와 함께 사용하여 전력을 생산하고 메탄 배출량을 낮출 수 있습니다. 캘리포니아에 있는 2.8MW 연료전지 공장이 이 유형 중 가장 큰 규모라고 합니다.[86] 소형(5kWhr 이하) 연료 전지는 주택용 오프 그리드 배치에 사용하기 위해 개발되고 있습니다.[87]

열병합 발전

참고 항목: 복합순환수소발전소

마이크로 복합 열 및 전력(Micro CHP) 시스템을 포함한 복합 열 및 전력(CHP) 연료 전지 시스템은 가정(가정용 연료 전지 참조), 사무실 건물 및 공장에서 전기와 열을 모두 생산하는 데 사용됩니다. 이 시스템은 일정한 전력을 생산하고(초과 전력을 소비하지 않을 때는 전력망으로 되파는 것) 동시에 폐열로부터 뜨거운 공기와 물을 생산합니다. 결과적으로 CHP 시스템은 일반적으로 열 에너지 변환 시스템에서 거부되는 폐열을 사용할 수 있으므로 1차 에너지를 절약할 수 있습니다.[88] 가정용 연료 전지의 일반적인 용량 범위는 1-3 kWel, 4-8 kW입니다th.[89][90] 흡수 냉각기와 연결된 CHP 시스템은 폐열을 냉장 보관에 사용합니다.[91]

여름 동안 연료 전지의 폐열을 직접 지면으로 유도하여 추가 냉각을 제공하는 동시에 겨울 동안의 폐열을 건물로 직접 펌핑할 수 있습니다. 미네소타 대학교는 이러한 유형의 시스템에 대한 특허권을 소유하고 있습니다.[92][93]

공동 발전 시스템은 85%의 효율에 도달할 수 있습니다(전기 40~60%, 나머지는 열 시스템).[5] 인산 연료 전지(PAFC)는 전 세계적으로 현존하는 CHP 제품 중 가장 큰 부분을 차지하며 90%[94][95]에 가까운 복합 효율을 제공할 수 있습니다. 용융탄산염(MCFC)과 고체산화물 연료전지(SOFC)는 또한 복합 열 및 발전에 사용되며 약 60%[96]의 전기 에너지 효율을 갖습니다. 공동 발전 시스템의 단점으로는 느린 상승 및 하강 속도, 높은 비용 및 짧은 수명이 있습니다.[97][98] 또한 열 생산을 원활하게 하기 위해 온수 저장 탱크가 필요하다는 것은 국내 부동산의 공간이 큰 프리미엄에 있는 국내 시장에서 심각한 단점이었습니다.[99]

Delta-ee 컨설턴트는 2013년에 전 세계 매출의 64%를 차지하는 연료 전지의 마이크로 결합 열과 전력이 2012년에 기존의 시스템을 통과했다고 밝혔습니다.[74] 일본 ENE FARM 프로젝트에 따르면 2012-2014년 기간 동안 34.213개의 PEMFC와 2.224개의 SOFC가 설치되었으며, LNG는 30,000개, LPG는 6,000개가 설치되었습니다.[100]

연료전지 전기자동차(FCEV)

주요 기사: 연료전지 차량, 수소 차량, 연료전지 차량 목록 및 수소 연료전지 열차
연료전지 자동차의 구성요소 구성
도요타 미라이
요소 1 연료 전지 차량

자동차

2019년 말까지 전 세계적으로 약 18,000대의 FCEV가 임대 또는 판매되었습니다.[101][102] 연료 전지 전기차는 상용 리스 및 판매용으로 혼다 클래리티, 도요타 미라이, 현대 ix35 FCEV 등 3종이 도입되었습니다. 추가 시연 모델로는 혼다 FCX 클래리티, 메르세데스-벤츠 F-셀 등이 있습니다.[103] 2011년 6월 현재 FCEV는 4,800,000km(3,000,000마일) 이상을 주행했으며, 27,000개 이상의 연료를 주유했습니다.[104] 연료 전지 전기 자동차는 연료 주입 사이의 평균 범위가 505km(314mi)입니다.[105] 5분 이내에 주유할 수 있습니다.[106] 미국 에너지부의 연료 전지 기술 프로그램(Fuel Cell Technology Program)에 따르면, 2011년 현재 연료 전지는 1/4 출력에서 53-59%의 효율과 최대 출력에서 42-53%의 차량 효율을 달성했으며,[107] 10% 미만의 성능 저하와 함께 120,000km(75,000마일) 이상의 내구성을 달성했습니다.[108] General Motors와 그 파트너들은 2017년 Well-to-Wheels 시뮬레이션 분석에서 "경제성과 시장 제약을 다루지 않았다"고 평가했습니다. 천연가스에서 생산된 압축가스 수소로 작동하는 연료전지 전기자동차는 내연기관 자동차보다 약 40% 적은 에너지를 사용하고 온실가스를 45% 적게 배출할 수 있습니다.[109]

2015년 토요타는 5만 7천 달러의 가격으로 첫 연료 전지 차량인 미라이를 선보였습니다.[110] 현대는 리스 계약에 따라 한정 생산 현대 ix35 FCEV를 선보였습니다. Honda는 2016년에 Honda Clarity Fuel Cell을 임대하기 시작했습니다.[112] 도요타는 2020년 미라이 브랜드 2세대를 선보이며 기존 세단 2014년형보다 연비를 개선하고 범위를 넓혔습니다.[113]

비평

일부 논평가들은 수소 연료 전지 자동차가 다른 기술들과[114][115][116] 경제적으로 경쟁력을 가질 수 없거나 수익성을 갖추기까지 수십 년이 걸릴 것이라고 믿고 있습니다.[73][117] 배터리 전기 자동차 제조업체 테슬라 모터스의 CEO인 엘론 머스크는 2015년에 수소를 생산, 운송 및 저장하는 비효율성과 가스의 가연성 때문에 자동차에 사용되는 연료 전지는 상업적으로 결코 실행 가능하지 않을 것이라고 말했습니다.[118] 2012년, Lux Research, Inc.는 "수소 경제의 꿈은... 더 이상 가까이 있지 않습니다"라는 보고서를 발표했습니다. "자본 비용은... 2030년까지 5.9GW에 불과할 정도로 채택을 제한할 것입니다."라고 결론지었습니다. 이는 "적소 애플리케이션을 제외하고는 거의 극복할 수 없는 채택 장벽"을 제공합니다. 분석 결과 2030년까지 PEM 고정식 시장은 10억 달러, 지게차를 포함한 차량 시장은 총 20억 달러에 이를 것으로 나타났습니다.[117] 다른 분석에서는 Fuel Cell Electric Vehicle 상용화에 대한 지속적인 과제로 미국에 광범위한 수소 인프라가 부족하다는 점을 꼽고 있습니다.[75]

2014년, The Hyp About Hyped 수소(2005)의 저자인 조셉 롬(Joseph Romm)은 FCV가 여전히 높은 연료 공급 비용, 연료 공급 기반 시설의 부족 및 수소 생산으로 인한 오염을 극복하지 못했다고 말했습니다. "앞으로 수십 년 안에 이 모든 문제들을 동시에 극복하려면 몇 가지 기적이 필요할 것입니다."[119] 그는 재생 에너지가 "현재나 미래에" FCV 함대를 위한 수소를 만드는 데 경제적으로 사용될 수 없다고 결론지었습니다.[114] 그린텍 미디어의 분석가는 2014년에도 비슷한 결론을 내렸습니다.[120] 2015년 클린테크니카는 수소연료전지차의 단점을 몇 가지 열거했습니다.[121] 카 스로틀도 그랬습니다.[122] Real Engineering의 2019년 비디오는 수소로 달리는 차량의 도입에도 불구하고, 수소를 자동차의 연료로 사용하는 것은 운송에서 발생하는 탄소 배출을 줄이는 데 도움이 되지 않는다고 지적했습니다. 화석연료에서 여전히 생산되는 수소의 95%는 이산화탄소를 방출하고, 물에서 수소를 생산하는 것은 에너지 소모적인 과정입니다. 수소를 저장하려면 액체 상태로 식히거나 고압 상태에서 탱크에 넣는 데 더 많은 에너지가 필요하고, 수소를 주유소에 전달하려면 더 많은 에너지가 필요하고 더 많은 탄소를 방출할 수도 있습니다. FCV를 1km 이동하는 데 필요한 수소는 같은 거리의 BEV를 이동하는 데 필요한 전기보다 약 8배 더 비쌉니다.[123]

2020년 평가에 따르면 수소차는 여전히 효율이 38%에 불과한 반면 배터리 EV는 효율이 80%에 달한다고 합니다.[124] 2021년 CleanTechnica는 수소 자동차가 전기 자동차보다 훨씬 덜 효율적이라고 결론 내렸습니다. (b) 회색 수소 – 오염 과정에서 생성된 수소 – 사용 가능한 수소의 대다수를 차지합니다. (c) 수소를 전달하려면 방대하고 값비싼 새로운 배송 및 연료 보급 인프라를 구축해야 합니다. 그리고 (d) 나머지 두 가지 "연료 전지 차량의 장점 - 더 긴 거리와 더 빠른 연료 공급 시간 – 이는 배터리 및 충전 기술의 향상으로 인해 빠르게 잠식되고 있습니다."[125] Nature Electronics의 2022년 연구는 동의했습니다.[126] 국제기후환경연구센터(CICERO)의 2023년 연구에 따르면 누출된 수소는 CO ₂보다 지구온난화 효과가 11.6배 더 강한 것으로 추정되었습니다.

버스

2005년 엑스포 도요타 FCHV-BUS

2011년 8월 현재 전 세계에 약 100대의 연료전지 버스가 운행되고 있습니다.[128] 이 중 대부분은 UTC Power, Toyota, Ballard, Hydrogenics, Proton Motor에 의해 제조되었습니다. UTC 버스는 2011년까지 970,000 km (600,000 mi) 이상을 운행했습니다.[129] 연료 전지 버스는 디젤 버스와 천연 가스 버스보다 연비가 39%에서 141% 더 높습니다.[109][130]

NREL은 2019년 현재 미국에서 계획 중인 여러 연료 전지 버스 프로젝트를 평가하고 있었습니다.[131]

열차

2018년, 알스톰 코라디아 iLint는 독일의 Buxtehude-Bremerberörde-Bremerhaven-Cuxhaven 노선을 운행하기 시작했습니다.[132] 이 열차들은 디젤 기관차에 비해 전기 열차의 장점을 제공하며 DMU의 장점은 열차 자체의 연기 스택 배출을 제거하는 데 있습니다.[133] 그러한[134] 열차는 스웨덴과 영국에서 주문되었거나 테스트 중입니다.[135]

트럭

2020년 12월, 토요타, 히노 자동차는 세븐일레븐(일본), 훼미리마트, 로손과 함께 경량 연료전지 전기트럭(Light-Duty FCETs) 도입을 공동으로 검토하기로 합의했다고 발표했습니다.[136] 로슨은 2021년 7월 말 도쿄에서 도요타 미라이 연료전지가 구현된 히노 두트로를 사용해 저온 배송 테스트를 시작했습니다. 훼미리마트는 오카자키시에서 테스트를 시작했습니다.[137]

2021년 8월, 도요타는 켄터키 자동차 조립 공장에서 배기가스 배출이 없는 대형 리그와 대형 상용차에 사용할 연료 전지 모듈을 만들 계획을 발표했습니다. 그들은 2023년에 전기 화학 장치를 조립하기 시작할 계획입니다.[138]

2021년 10월 다임러 트럭의 연료전지 기반 트럭은 독일 당국으로부터 공공도로 사용 승인을 받았습니다.[139]

지게차

연료 전지 지게차(연료 전지 리프트 트럭이라고도 함)는 재료를 들어올리고 운반하는 데 사용되는 연료 전지 동력 산업용 지게차입니다. 2013년에는 미국에서 자재 취급에 사용되는 연료 전지 지게차가 4,000대 이상 있었고,[140] 그 중 500대가 DOE(2012)로부터 자금 지원을 받았습니다.[141][142] 2024년 기준으로 전 세계적으로 약 5만 대의 수소 지게차가 운행되고 있으며, 이는 2021년에 구입한 120만 대의 배터리 전기 지게차와 비교됩니다.[143]

유럽과 미국의 대부분의 회사들은 석유로 움직이는 지게차를 사용하지 않는데, 이 차량들은 배기가스를 통제해야 하는 실내에서 작동하고 대신 전기 지게차를 사용하기 때문입니다.[144][145] 연료 전지 구동 지게차는 3분 만에 연료를 주유할 수 있으며, 낮은 온도에도 성능이 저하되지 않는 냉장 창고에서 사용할 수 있습니다. FC 장치는 종종 드롭인 대체품으로 설계됩니다.[146][147]

오토바이와 자전거

2005년, 영국의 수소 연료 전지 제조업체인 인텔리전트 에너지 (IE)는 ENV (Emission Neutral Vehicle)라고 불리는 최초의 작동하는 수소 구동 오토바이를 생산했습니다. 이 오토바이는 4시간 동안 달릴 수 있는 충분한 연료를 담고 있으며, 도시 지역에서 시속 80km(50mph)의 최고 속도로 160km(100마일)를 주행할 수 있습니다.[148] 2004년 Honda는 Honda FC Stack을 활용한 연료 전지 오토바이를 개발했습니다.[149][150]

수소연료전지를 사용하는 오토바이와[151] 자전거의[152] 다른 예로는 이탈리아의 Acta SpA의[154] 연료 공급 시스템을 사용하는 대만 회사 APFCT의 스쿠터와[153] 2011년 EU 전체 차량 형식 승인을 받은 IE 연료전지를 장착한 스즈키 부르그만 스쿠터가 있습니다.[155] 스즈키 자동차와 IE가 배출가스 제로 차량 상용화를 가속화하기 위해 합작법인을 발표했습니다.[156]

비행기

2003년, 연료 전지로 완전히 동력을 얻는 세계 최초의 프로펠러식 비행기가 날았습니다. 연료 전지는 연료 전지를 비행기의 공기역학적 표면과 통합할 수 있도록 한 스택 설계였습니다.[157] 연료 전지 구동 무인 항공기(UAV)에는 2007년 소형 무인 항공기를 위해 비행한 기록적인 거리를 설정한 Horizon 연료 전지 UAV가 포함됩니다.[158] 유럽 전역의 보잉 연구원들과 업계 파트너들은 2008년 2월 연료 전지와 경량 배터리로만 구동되는 유인 비행기의 실험 비행 시험을 실시했습니다. 연료전지 실증기 비행기는 이름 그대로 양성자-교환막(PEM) 연료전지/리튬이온 배터리 하이브리드 시스템을 사용하여 기존 프로펠러에 연결된 전기 모터를 구동시켰습니다.[159]

2009년, 해군 연구소의 Ion Tiger는 수소 연료 전지를 사용하여 23시간 17분 동안 비행했습니다.[160] 또한 연료 전지는 항공기에서 보조 동력을 제공하기 위해 테스트되고 고려되고 있으며, 이전에 엔진을 시동하고 전기적 필요에 따라 전원을 공급하는 데 사용되었던 화석 연료 발전기를 대체하는 동시에 탄소 배출을 줄이고 있습니다.[161][162][failed verification] 2016년 랩터 E1 드론은 교체한 리튬 이온 배터리보다 가벼운 연료 전지를 사용하여 성공적인 시험 비행을 했습니다. 보도에 따르면 연료 전지는 2시간 동안 비행할 수 있는 충분한 연료를 가지고 있었지만, 비행은 고도 80미터(260피트)에서 10분 동안 지속되었습니다. 연료는 가압되지 않은 카트리지 내에 독점 화학 물질로 구성된 약 100개의 고체 1제곱센티미터(0.16제곱센티미터) 크기의 펠릿에 들어 있었습니다. 펠릿은 물리적으로 견고하며 50°C(122°F)만큼 따뜻한 온도에서 작동합니다. 그 세포는 Arcola Energy의 것이었습니다.[163]

록히드 마틴 스컹크 웍스 스토커(Lockheed Martin Skunk Works Stoker)는 고체 산화물 연료 전지로 구동되는 전기 무인 항공기입니다.[164]

보트

독일 라이프치히의 연료전지 보트(Hydra)

독일 본 인근 라인강에서 1999년부터 2001년까지 운항한 [165]22인용 연료전지 보트인 히드라호는 2000년 전기보트 컨퍼런스 때 벨기에 겐트에서 페리 보트로 사용됐습니다. 독일 국적의 로이드사로부터 여객 운송에 대한 완전한 인증을 받았습니다.[166] 소형 여객선인 Zemship은 2003년부터 2013년까지 생산되었습니다. 납 젤 배터리 7개가 있는 100kW 폴리머 전해질막 연료전지(PEMFC)를 사용했습니다. 이러한 시스템을 통해 12개의 저장 탱크와 함께 연료 전지는 560V 및 234Kwh의 에너지 용량을 제공했습니다.[167] 2008년 독일 함부르크에서 제작된 FCS Alsterwasser는 연료 전지로 작동하는 최초의 여객선 중 하나로 100명의 승객을 태울 수 있었습니다. 이 배에 동력을 공급하는 하이브리드 연료전지 기술은 프로톤 모터 연료전지 GmbH가 개발했습니다.[168]

MF V mfgen은 2010년에 최초로 생산되었으며, 12Kw 연료 전지와 2~3Kg의 금속 수소화물 수소 저장 장치를 사용했습니다. 또한 25kwh 리튬 배터리와 10kw DC 모터를 사용합니다.[167] 혼블로워 하이브리드는 2012년에 첫 선을 보였습니다. 디젤 발전기, 배터리, 태양광, 풍력 및 연료 전지를 에너지로 활용합니다.[167] 브리스톨에서 제작된 12인승 하이브리드 페리인 하이드로젠시스는 2012년부터 운영되고 있습니다.[167] SF-Breeze는 41 x 120 Kw 연료 전지를 사용하는 2 모터 보트입니다. C타입 저장 탱크로 가압 용기는 LH2 1200kg을 유지할 수 있습니다. 이 배들은 오늘날에도 여전히 운행되고 있습니다.[167] 노르웨이에서는 액체 수소로 작동하는 연료 전지로 작동하는 첫 번째 페리가 2022년 12월에 첫 번째 시운전을 할 예정이었습니다.[169][170]

독일과 이탈리아 해군의 212형 잠수함은 연료 전지를 사용하여 수면으로 떠오르지 않고 몇 주 동안 물에 잠겨 있습니다.[citation needed] U212A는 독일 해군 조선소인 하왈츠베르크 도이치 베르프트가 개발한 비핵 잠수함입니다.[171] 이 시스템은 9개의 PEM 연료 전지로 구성되어 있으며, 각각 30kW에서 50kW 사이를 제공합니다. 함선은 침묵하고 있어 다른 잠수함을 탐지하는 데 유리합니다.[172]

휴대용 전원 시스템

휴대용 연료 전지 시스템은 일반적으로 무게가 10kg 미만이고 5kW 미만의 전력을 제공하는 것으로 분류됩니다.[173] 소형 연료전지의 잠재적 시장 규모는 연간 최대 40%의 잠재적 성장률과 약 100억 달러의 시장 규모로 상당히 크며, 휴대용 전력전지 개발에 많은 연구가 집중되고 있습니다.[174] 이 시장 내에서 두 그룹이 식별되었습니다. 첫 번째는 전력 소형 전자 장치를 위한 1-50W 범위의 마이크로 연료 전지 시장입니다. 두 번째는 더 큰 규모의 발전을 위한 1-5 kW 범위의 발전기(예: 군사 전초기지, 외딴 유전)입니다.

마이크로 연료 전지는 주로 전화기와 노트북 시장에 침투하는 것을 목표로 합니다. 이는 주로 전체 시스템에서 리튬 이온 배터리보다 연료 전지가 제공하는 유리한 에너지 밀도에 기인합니다. 배터리의 경우 이 시스템에는 충전기와 배터리 자체가 포함됩니다. 연료 전지의 경우 이 시스템에는 전지, 필요한 연료 및 주변 장치가 포함됩니다. 전체 시스템을 고려했을 때, 연료 전지는 리튬 이온 배터리의 경우 44 Wh/kg에 비해 530 Wh/kg을 제공하는 것으로 나타났습니다.[174] 그러나 연료 전지 시스템의 무게는 뚜렷한 이점을 제공하지만 현재 비용은 유리하지 않습니다. 배터리 시스템은 일반적으로 Wh 당 $1.20 정도의 비용이 들지만 연료 전지 시스템은 Wh 당 $5 정도의 비용이 들어 상당히 불리합니다.[174]

휴대 전화의 전력 수요가 증가함에 따라 연료 전지는 대규모 발전에 훨씬 더 매력적인 옵션이 될 수 있습니다. 전화기와 컴퓨터의 장시간 사용에 대한 요구는 종종 소비자들에 의해 요구되어 연료 전지가 노트북과 휴대폰 시장에서 약진을 시작할 수 있습니다. 연료 전지의 개발이 계속 가속화됨에 따라 가격은 계속 내려갈 것입니다. 현재 마이크로 연료 전지를 개선하기 위한 전략은 탄소 나노 튜브를 사용하는 것입니다. Girishkumar et al. 에서는 전극 표면에 나노튜브를 증착하면 산소 감소율을 증가시키는 표면적이 훨씬 더 커진다는 것을 보여주었습니다.[175]

대규모 작업에 사용하기 위한 연료 전지도 많은 가능성을 보여줍니다. 연료 전지를 사용하는 휴대용 전력 시스템은 레저 부문(즉, RV, 캐빈, 해양), 산업 부문(즉, 가스/석유 유정 사이트, 통신 타워, 보안, 기상 관측소를 포함한 원격 위치를 위한 전력) 및 군사 부문에서 사용될 수 있습니다. SFC Energy는 독일의 다양한 휴대용 전력 시스템용 직접 메탄올 연료 전지 제조업체입니다.[176] Ensol Systems Inc.는 SFC Energy DMFC를 사용하는 휴대용 전력 시스템의 통합업체입니다.[177] 이 시장에서 연료 전지의 핵심 장점은 무게당 발전량이 크다는 것입니다. 연료 전지는 비용이 많이 들 수 있지만, 신뢰할 수 있는 에너지가 필요한 원격지의 경우 연료 전지는 큰 전력을 보유합니다. 72시간 여행의 경우 동일한 에너지에 필요한 29파운드의 배터리와 비교하여 연료 전지의 무게는 15파운드에 불과합니다.[173]

기타 응용프로그램

  • 기지국 또는 셀 사이트에[178][179] 전력 제공
  • 분산생성
  • 비상 전력 시스템은 연료 전지 시스템의 한 종류로, 위기 상황이나 정기적인 시스템이 고장 났을 때 백업 자원을 제공하기 위해 조명, 발전기 및 기타 장치를 포함할 수 있습니다. 그들은 주택에서 병원, 과학 실험실, 데이터 센터에 이르기까지 다양한 환경에서 사용할 수 있습니다.[180]
  • 통신[181] 장비와 현대 해군 함정.
  • UPS(Uninterrupted power supply)는 비상 전력을 공급하고 토폴로지에 따라 전력 공급이 불가능할 때 별도의 소스에서 전력을 공급하여 연결된 장비에 회선 조절 기능을 제공합니다. 대기 발전기와 달리 순간적인 전원 중단으로부터 즉각적인 보호를 제공할 수 있습니다.
  • 기저부하발전소
  • 하이브리드 차량으로, 연료 전지를 ICE 또는 배터리와 페어링합니다.
  • AC 충전을 쉽게 사용할 수 없는 애플리케이션용 노트북 컴퓨터.
  • 소형 전자제품을 위한 휴대용 충전 도크(예: 휴대폰 또는 PDA를 충전하는 벨트 클립).
  • 스마트폰, 노트북, 태블릿.
  • 소형 난방기구[182]
  • 산소를 소진하고 자동적으로 산소 소진을 유지함으로써 달성되는 식품 보존, 예를 들어 신선한 생선을 포함하는 선적 컨테이너.[183]
  • 연료 전지에 의해 생성된 전압의 양이 샘플 내의 연료(알코올)의 농도를 결정하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 음주 측정기.[184]
  • 일산화탄소 검출기, 전기화학 센서.

주유소

주요 기사: 수소충전소와 수소고속도로
수소충전소.

산업 그룹인 퓨얼셀웍스(FuelCellsWorks)에 따르면 2019년 말 전 세계적으로 330개의 수소 주유소가 대중에게 개방되었습니다.[185] 2020년 6월 기준으로 아시아에는 178개의 수소 충전소가 운영되고 있습니다.[186] 이 중 114개가 일본에 있었습니다.[186] 유럽에는 최소 177개 역이 있었고, 이 중 절반 정도가 독일에 있었습니다.[187][188] 미국에는 44개의 공공 이용 가능한 방송국이 있었고, 그 중 42개는 캘리포니아에 위치해 있었습니다.[189]

수소 연료 보급소의 건설 비용은 100만 달러에서 400만 달러 사이입니다.[190]

사회적 의미

2023년 현재 연료 전지 채택에 대한 기술적 장벽이 남아 있습니다.[191] 연료 전지는 주로 창고, 물류 센터 및 제조 시설에서 자재를 취급하기 위한 것입니다.[192] 그들은 더 넓은 범위의 응용 분야에서 유용하고 지속 가능할 것으로 예상됩니다.[193] 그러나 현재의 애플리케이션은 접근성과 같은 일부 포괄성 시도가 이루어지고 [194]있지만 저소득 지역 사회에 도달하지 못하는 경우가 많습니다.[195]

시장과 경제

주요 기사: 수소경제와 메탄올경제

2012년 연료 전지 산업 수익은 전 세계적으로 10억 달러의 시장 가치를 넘어섰으며, 아시아 태평양 국가들은 연료 전지 시스템의 3/4 이상을 전 세계로 출하했습니다.[196] 그러나 2014년 1월 현재 업계의 어떤 공기업도 아직 수익성이 없는 상태입니다.[197] 2010년 전 세계적으로 출하된 연료전지 스택은 140,000개로 2007년의 11,000개에 비해 증가했으며, 2011년부터 2012년까지 전 세계 연료전지 출하량은 연평균 85%[198]의 증가율을 보였습니다. 다나카 키킨조쿠는 2011년에 제조 시설을 확장했습니다.[199] 2010년 연료 전지 출하량의 약 50%가 정지형 연료 전지였으며, 이는 2009년의 약 3분의 1에서 증가한 것이며, 연료 전지 산업의 4대 주요 생산국은 미국, 독일, 일본 및 한국이었습니다.[200] 에너지부 솔리드 스테이트 에너지 변환 연합(Department Solid State Energy Conversion Alliance)은 2011년 1월 현재 고정식 연료 전지가 설치된 킬로와트당 약 724~775달러의 전력을 생산하고 있음을 발견했습니다.[201] 2011년, 주요 연료 전지 공급업체인 블룸 에너지(Bloom Energy)는 자사의 연료 전지가 연료, 유지 보수 및 하드웨어 가격을 포함하여 킬로와트시 당 9-11센트의 전력을 생산한다고 말했습니다.[202][203]

업계 단체들은 미래 수요를 위한 충분한 백금 자원이 있을 것으로 예측하고 [204]있으며, 2007년 브룩헤이븐 국립 연구소의 연구에 따르면 백금은 금-팔라듐 코팅으로 대체될 수 있으며, 이는 중독에 덜 취약하여 연료 전지의 수명을 향상시킬 수 있습니다.[205] 또 다른 방법은 백금 대신 철과 황을 사용하는 것입니다. 이렇게 하면 연료 전지 비용이 절감됩니다(일반 연료 전지의 백금은 약 미화 1,500달러, 동일한 양의 철은 약 미화 1.50달러). 이 개념은 존 이네스 센터(John Innes Centre)와 밀라노-비코카 대학(University of Milan-Bicocca)의 연합에 의해 개발되었습니다.[206] PEDOT 음극은 일산화탄소 중독에 면역성이 있습니다.[207]

삼성, 2016년 "시장 전망 좋지 않아 연료전지 관련 사업 접기로"[208]

연구개발

  • 2005년: 조지아 공과대학교 연구원들은 트리아졸을 사용하여 PEM 연료 전지의 작동 온도를 100 °C 이하에서 125 °C 이상으로 높였으며, 이렇게 하면 수소 연료의 탄소-모노사이드 정제가 덜 필요할 것이라고 주장했습니다.[209]
  • 2008: Monash University, Melbourne은 음극으로 PEDOT를 사용했습니다.[33]
  • 2009: 오하이오 데이튼 대학의 연구원들은 수직으로 성장한 탄소 나노튜브 배열이 연료 전지의 촉매로 사용될 수 있다는 것을 보여주었습니다.[210] 같은 해 니켈 비스디포스핀계 연료전지용 촉매를 시연했습니다.[211]
  • 2013년: 영국 회사 ACAL Energy는 모의 주행 조건에서 10,000시간 동안 주행할 수 있다고 밝힌 연료 전지를 개발했습니다.[212] 연료전지 건설 비용을 kW당 40달러(300HP의 경우 약 9,000달러)로 줄일 수 있다고 주장했습니다.[213]
  • 2014: 임페리얼 칼리지 런던의 연구원들은 황화수소로 오염된 PEFC의 재생을 위한 새로운 방법을 개발했습니다.[214] 황화수소 오염 PEFC의 원래 성능의 95~100%를 회수했습니다. 그들은 SO로2 오염된 PEFC를 다시 활성화하는 데 성공했습니다.[215] 이 재생 방법은 여러 개의 셀 스택에 적용 가능합니다.[216]
  • 2019년: 미국 육군 연구소 연구진은 수소/공기 발전소 내부를 통해 수소 발전용과 전기 발전용 두 부품의 현장 수소 발전용 연료전지를 개발했습니다.[217]
  • 2022년: 델라웨어 대학의 연구원들은 약 $1.4/kW의 저렴한 비용으로 작동할 것으로 예상되는 수소 동력 연료 전지를 개발했습니다. 이 디자인은 수산화물 교환막 연료전지의 공기 공급에서 이산화탄소를 제거합니다.[218]

참고 항목

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외부 링크