수소의 종류｜ 수소연료전지 핵심부품

수소

수소의 종류

블루수소

블루수소는 수증기 개혁 과정에서 발생하는 탄소를 캡처하여 지하에 저장하는 산업용 탄소 포집 및 저장(CCSS) 기술을 포함하여 생산된 저탄소 수소입니다. 이로 인해 배출되는 온실가스의 양을 줄일 수 있습니다. 

부생수소(그레이수소)

부생수소는 석유화학 산업의 부산물로 생산되는 수소입니다. 이러한 부산물은 다른 산업에서도 활용될 수 있으며, 이를 통해 저비용으로 수소를 생산할 수 있습니다. 정유공정이나 석유화학 납사분해, 제철산업에서 주로 발생합니다. 

바이오매스

바이오매스는 농작물 잔여물(예: 옥수수 줄기 또는 밀 짚), 산림 잔여물, 에너지 생산을 위해 특별히 재배되는 작물(예: 스위치그래스 또는 버들 나무), 유기성 고형 폐기물 및 동물 배설물과 같은 재생 가능한 유기 자원을 나타냅니다. 바이오매스는 열 및 전력 생산과 함께 생물 연료 산업에서도 사용됩니다. 

신재생에너지

신재생에너지는 재생 가능한 에너지원을 사용하여 생산된 수소입니다. 재생 가능한 에너지원으로는 태양광, 풍력, 수력으로 얻은 전기로 물을 분해하여 전기를 얻는 수소입니다. 이러한 재생 가능한 에너지원은 지속 가능한 미래를 위해 중요합니다

수소연료전지

수소 연료 전지는 수소의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 부산물로 물을 생성하는 장치입니다. 연료 전지는 양극, 음극 및 전해질로 구성되며 양극판 사이에 끼워져 있습니다. 수소가 양극에 들어가고 산소가 음극에 들어가면 수소 원자는 양성자와 전자로 분리되고 양성자는 전해질을 통해 음극으로 전달되고 전자는 외부 회로를 통해 음극으로 강제 이동합니다. 이것은 소형 휴대용 전자 제품에서 차량 및 건물에 이르기까지 광범위한 응용 분야에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 전류를 생성합니다.

현재 개발 중인 여러 유형의 연료 전지가 있으며 각각 고유한 장점, 제한 사항 및 잠재적 응용 분야가 있습니다. 연료 전지의 가장 일반적인 유형에는 폴리머 전해질 막(PEM) 연료 전지, 직접 메탄올 연료 전지(DMFC), 알칼리 연료 전지(AFC), 인산 연료 전지(PAFC) 및 용융 탄산염 연료 전지(MCFC)가 포함됩니다. 특히 PEM 연료 전지는 높은 효율과 낮은 작동 온도로 인해 자동차 및 버스와 같은 운송 응용 분야에 널리 사용됩니다. 반면에 DMFC는 무게와 크기가 작기 때문에 휴대용 전력 애플리케이션에 자주 사용됩니다.

연료 전지는 깨끗하고 조용하며 효율적이라는 많은 장점이 있지만 기존 내연 기관에 비해 킬로와트(kW) 당 $3,000~$5,000의 비용이 여전히 상대적으로 비쌉니다. 그러나 기술이 향상되고 규모의 경제가 실현됨에 따라 연료 전지 비용은 시간이 지남에 따라 감소할 것으로 예상됩니다. 연료 전지는 또한 산업 폐수소, 프로판 수소 또는 폐수 처리장에서 생성된 메탄을 비롯한 다양한 연료로 작동할 수 있습니다.

수소연료 전지 핵심부품

수소연료전지 부품

연료전지스택

연료전지스택은 셀을 직렬로 쌓아 출력을 높이는 기술로 연료 진지 스택 내부의 전지 셀은 수소와 산소가 전해질 막을 통해 반응하면서 전기를 생성합니다. 이전지 작동에 필요한 수소는 스택 외부에서 공급됩니다. 수소가 스택에 공급되면, 전해질 막을 통과하여 산소와 반응하여 전기를 생성하고, 물과 열을 생성합니다. 전기는 직류 전류로 생성되며, 여러 전지 스택이 연결되어 전력을 생성할 수 있습니다.

전해질막(PEM)

수소 전해막 전해 작용 방식은 고체 전해질로 이루어져 있으며, 폴리머 전해막 전해 셀(Polymer Electrolyte Membrane, PEM)로도 불립니다. 이온을 전달하고 반응기체(수소, 산소)를 분리하여 접촉을 막는 역할을 합니다. 전해질로는 고분자 소재인 폴리머가 사용되며, 전해질을 통해 이온 전달이 이루어지기 때문에 전해질막(PEM) 전해 셀로 불리며, 수소 연료 전지에서 널리 사용됩니다. 전해질막(PEM) 전해 셀에서 물은 양극에서 산화되어 산소와 양이온인 수소 이온으로 반응하며, 전자는 외부 회로를 통해 흐릅니다. 수소 이온은 전해질막(PEM)을 통해 양극으로 선택적으로 이동합니다. 이를 통해 PEM 전해 셀에서 생성된 전기는 수소 연료 전지에서 사용됩니다. 

수소 전해막 연료 전지는 다른 연료 전지와 비교하여 높은 효율성과 작은 크기로 인해 차량 및 이동식 전원과 같은 분야에서 사용됩니다.

촉매층

수소 촉매층은 연료 전지의 중요한 구성 요소로서 전기를 생산하는 전기 화학반응의 사이트 역할을 합니다. 물 관리와 관련성이 있다고 인정된 중요한 구성 요소입니다. 촉매층은 고 표면적 탄소 지지체에 분산된 나노미터 크기의 백금 입자로 구성됩니다. 물 분해 전기분해를 통한 수소 생산에서 촉매 또는 전기 촉매는 중요한 역할을 합니다

가스확산층

가스확산층(GDL)은 수소를 전기로 변환하는 데 사용되는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)의 중요한 구성 요소입니다. GDL은 반응물과 생성물을 운반하고 열을 제거하며 전기를 전도하는 다공성 탄소층입니다. 연료 전지에서 GDL은 가스가 기공을 통해 빠르게 확산되도록 하며 이 과정은 GDL의 탄소 섬유를 코팅하는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 소수성 특성에 의해 촉진됩니다. 확산은 농도 차이에 따라 분자가 공간에 분산되는 과정을 의미합니다. 따라서 연료 전지의 수소 가스 확산층은 다공성 구조를 통해 수소 가스 분자가 양극에서 음극으로 쉽게 이동할 수 있도록 도와줍니다.

분리판

수소 분리기는 수소를 다른 가스와 분리하여 순수한 수소를 생산하는 장치입니다. 수소 분리기는 수소 생산, 수소 정제 및 수소 저장 등 다양한 분야에서 사용됩니다. 분리판이 연료전지 무게에 약 60% 차지하고 전기전도체 역할과 생성된 물을 밖으로 배출해 내는 분리판 역할을 합니다. 

MEA

MEA는 PEM 연료전지의 핵심 부품으로, 막, 촉매층, 가스 확산 층 등으로 구성됩니다. 막은 양극과 음극을 구분하면서 전해질 역할을 하며, 촉매층은 전해질에서 반응을 촉진시켜 전기화학반응을 일으킵니다. 가스 확산 층은 촉매층과 전해질 사이에 위치하여 연료와 산소를 MEA의 표면으로 운반합니다. 이러한 MEA는 연료와 산소가 반응하여 전기에너지를 생성하는 PEM 연료전지에서 매우 중요한 역할을 합니다.

MEA는 PEM 연료전지에서 연료와 산소가 반응하여 전기에너지를 생성하는데 필요한 전기화학반응이 일어나는 핵심 구성 요소입니다. 산소가 음극에서 전해질로 이동하여 전해질에서 전자를 받고 양이온으로 환원됩니다. 연료는 양극에서 전해질로 이동하여 전해질에서 전자를 떼어내고 음이온으로 산화됩니다. MEA를 통해 연료와 산소가 만나 전기화학반응이 일어나게 됩니다.

연료전지스택 원가 구성

• 막전극 접합체(MEA) 43%, 가스 확산층(21%), 분리판 18% 가스킷 10%, 기타 8%
• MEA 중 멤브레인막은 전체 원가에서 20%를 차지할 정도로 고부가가치제품

---

전반적으로 수소 연료 전지는 자동차와 버스에서 가정과 기업에 이르기까지 모든 것에 전력을 공급하면서 보다 지속 가능하고 깨끗한 에너지 미래로 전환하는 데 중요한 역할을 할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 지속적인 연구 개발을 통해 연료 전지는 보다 효율적이고 비용 효율적이며 다재다능해질 것으로 예상되어 향후 주목해야 할 핵심 기술이 될 것입니다.