수소 연료전지의 장단점

 

장점 (Advantages)

 

1. No Emission

 

지구 온난화로 인해 온실가스인 이산화탄소의 배출이 중요한 관심사가 되었는데, 최종생성물이 물인 연료전지는 친환경 동력원으로 현재 각광을 받고 있다. 하지만, 연료인 수소의 생산을 가지고 친환경 수소인지(green), 아닌지(brown)를 가리게 되었다.

 

① 열분해(아이슬란드)

 

아이슬란드의 경우에는 엄청난 양의 지열에너지로 인해 자연상태의 물이 고온 열분해를 통해 수소가 생산된다.

 

H2O > H2 + 1/2*O2

 

이로 인해, 친환경수소(green hydrogen)라는 명칭을 받게 되었다.

 

② 수전해(신·재생 에너지)

 

또한, 신 · 재생 에너지를 이용하여 수소를 만드는 방법도 각광을 받게 되었다. 신 · 재생 에너지란 기존의 화석 연료를 재활용하거나 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지로 지열, 태양열, 풍력, 조력, 재활용된 화석연료 에너지를 통해 수소를 만드는 것이다. (무한정 에너지 자원)

 

③개질(reforming)

 

일반적인 수소 생산 방법이다. 메탄 등 탄화수소기의 구조를 변화시켜 조성을 바꾸어 수소를 추출해 내는 방법이다.

 

CH4 > CO, H2 등으로 변화시켜 수소 생산하지만, 개질의 경우에는 개질을 위해 전통 에너지 자원인 화석연료를 사용하게 되어, 친환경 동력으로 불리는 연료전지의 적합성에는 부합하지 않기 때문에 비 친환경 수소(brown hydrogen)로 불리게 되었다.

 

2. Partial Load Efficiency

 

연료 전지의 경우는 부분 부하 효율이 좋다.

 

부하란 전기, 기계 에너지 등 에너지를 생산하는 장치에서 생산된 에너지를 사용 하는 것이다.

 

예를 들어 건전지 자페에는 내부저항 외에 부하가 없지만 전구를 달면 저항이 생겨서 부하가 걸리게 된다. 건전지의 최대 출력이 1W일 때, 1W짜리 전구를 연결하면 전부하 상태(full load) 상태가 된다. 하지만, 0.5W짜리 전구를 연결하면 50%의 부분부하가 걸린 상태가 되는 것이다. 연료전지 전부하 효율은 내연기관에 비하여 낮다.

 

3. Low NVH(Noise, Vibration, Harshness)

 

일반적인 내연기관은 흡입, 압축, 폭발, 배기의 4행정 사이클을 이루기 때문에 소음/진동이 발생하게 된다.

하지만, 연료전지의 경우는 화학적 에너지를 바로 전기에너지로 변환하기 때문에 소음/진동 특성이 좋다.

 

4. Heat Release(자동차 동력원으로서)

 

연료전지는 내연기관과 달리 연소과정이 이뤄지지 않으므로 상대적으로 열 발생이 적다. 하지만, 연료전지 역시 화학적 반응 이후에 전기에너지와 열에너지를 발생하게 된다. 2차 에너지인 전기에너지의 경우는 바로 사용하면 되지만, 발생한 열에너지의 경우는 열역학 제2법칙에 의해 밖으로 방출하게 된다. 이것은 결국 열 손실(heat loss)로 이어지게 된다.

 

단점 (Disadvantage)

 

1. Catalyst

 

PEMFC의 경우에는 촉매로 백금(platinum)을 사용한다. 백금은 고가의 촉매제 이므로, 연료전지의 가격상승을 유도한다. 그러나 SOFC같은 고온형 연료전지의 경우에는 촉매로 니켈(nickel)을 사용할 수 있으므로 촉매 가격적 측면을 봤을 때는 좋다.

 

촉매란, 활성화 에너지를 낮춰 화학 반응이 더욱 쉽게 일어날 수 있도록 해주는 물질이다.

 

2. Working Temperature

 

작동온도가 연료전지의 단점이 될 수 있다. PEMFC의 경우에는 작동온도가 30~100°C인데, 4계절이 뚜렷한 한국의 경우의 겨울 온도를 생각하면 작동성능이 현저하게 떨어질 수가 있다. 그렇기에, 작동온도가 적정온도가 되도록 예열을 하게 된다. 예열을 위하여 연료전지로 생산한 전기의 일부를 부하로 사용하게 되고, 결국 연료전지의 전체 효율을 감소하는 원인이 된다.

 

3. Hydrogen Storage Problem

 

수소는 폭발성의 위험이 있는 물질이므로, 보관의 유의가 요구된다. 그렇기에 고압상태의 수소를 안전하게 저장하기 위한 안전기술이 추가되어 비용 증가를 야기한다.

 

4. Specific Power(비동력)[kW/kg], Power Density(출력밀도)[kW/l]

 

연료전지는 일반적인 화석연료로 사용하는 동력원과 비교했을 때 단위질량당 출력과 단위체적당 출력이 낮은 단점이 있다. 그렇기 때문에 출력에 비해 무게가 무겁고, 큰 설치공간을 필요로 하게 된다.

 

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