연료전지

연료전지(燃料電池, Fuel Cell)는 화학적 반응을 사용해 전기를 생산하는 장치이다. 양극, 전해질, 음극 구조로 이뤄진다.

탄소를 배출하는 방식[7]이 더 싸고 대부분이지만, 배출하지 않는 방식(원자력발전소의 부생, 물 전기분해) 쪽이 비싸도 정책적으로 가는 방향이다.

수소는 밀폐된 공간에서 고농도의 산소와 반응, 즉 폭발하는 농도 범위[8]가 넓고 이동과 저장의 효율을 위해 고압으로 압축되므로 위험하다. 그러나, 실사용 환경에서는 액화석유가스나 도시가스보다 안전하다. 잘 알려지지 않아서 그렇지 LPG 차량과 수소연료전지 차량을 세워 놓고 연료탱크를 실탄으로 사격하는 실험도 한 적이 있는데 LPG 차량은 그대로 폭발한 반면 연료전지 차량의 경우 내부의 가스만 모두 분출되었다는 실험 결과도 있다. * 또한, 분자량이 공기보다 커서 바닥으로 가라앉는 LPG와는 달리 가장 가벼운 분자인 수소의 특성상 누출이 되더라도 순식간에 빠져 나가 버린다는 점도 안전성에 플러스 요인이다(가장 널리 쓰이는 도시가스는 LNG를 써서 공기보다 가볍다. 도시가스라 해도 LPG+Air 방식은 공기보다 무겁다.). 실제 피해를 끼치기 위해서는 폭발하기 위한 최소 농도(4%)까지 쌓여야 하는데, 이마저도 쉽지 않다는 이야기.

메테인을 주 성분으로 하는 도시가스(천연가스)를 개질하거나 촉매를 써서 수소를 분리 추출하는 경우가 아닌, 메테인 자체를 연료로 쓰는 경우를 되도록 서술한다.

2022년 1월, 블룸에너지는 바이오가스 중 메테인으로 1MW급 SOFC를 돌리는 시운전을 선보이기도 했다. #

2023년 12월, 성균관대학교 이원영 교수, 연세대학교 홍종섭 교수, 서울과학기술대학교 최민기 교수팀이 공동연구로 메테인을 연료로 활용하는 세라믹 연료전지를 개발했다. #

연료전지 공급 전 촉매로 수소를 분리 추출하는 경우가 아닌, 에탄올 자체를 연료로 쓰는 경우를 되도록 서술한다.

2016년 8월, 일본 닛산이 에탄올 연료전지 자동차를 세계 최초로 공개했다. #

2020년 3월, 고려대 심준형 교수팀이 세라믹 연료전지를 이용해 에탄올을 바로 연료로 쓰는 기술들을 종합한 2019년 리뷰 논문이 우수 논문으로 선정되었다. #

2022년 7월, 대한민국 동창생들이 미국에 설립한 아모지(Amogy)가 암모니아를 바로 사용할 수 있는 연료전지를 출시했다. 이에 사우디 아람코, SK이노베이션 등이 600억원을 투자했다. #[9]

2023년 6월, 고려대 심준형 교수팀이 세라믹 연료전지로 암모니아 연료로 저온구동에 성공했다. #1

2023년 9월, 한국기계연구원이 암모니아 연료전지 기반기술을 소개했다. #

2023년 12월, 범한퓨얼셀이 선박용 암모니아 연료전지 시스템을 AIP 인증 받았다. #

1957년, 최초의 수소비행기인 미국 NACA의 "Martin B-57B"가 비행했다. 하지만 본격적인 논의는 2020년대부터이다.

1959년, 최초의 수소자동차인 미국 앨리스차머스의 연료전지 트랙터가 운전했다. 하지만 본격적인 논의는 1990년대부터이다.

1965년, 최초의 우주선용 연료 전지는 미국 제미니 계획에서 시작되었다. 제미니 5호에 처음으로 연료 전지가 탑재되었고, 이후에 제작된 아폴로 우주선에도 연료 전지가 탑재되었다.[10] 1981년에 도입된 우주왕복선에도 연료 전지가 사용되었다. 이후 1998년 국제우주정거장에도 도입되었다.

2000년, 최초의 수소선박인 독일 ZeTeK Power의 "Hydra"가 운전했다. 대한민국은 2006년 재래식 잠수함의 AIP 시스템에 도입했다.

2008년, 최초의 수소타운이 덴마크 베스텐코브(Vestenskov)에 지어졌다. 가정 및 도시 단위 발전용 연료전지 보급사업. # 이런 보급사업을 일본의 키타큐슈, 후쿠오카, 고베, 네덜란드 흐로닝언, 영국 리즈, 대한민국 울산광역시, 혁신도시들 등이 진행하며 '수소도시/수소타운' 등의 이름을 붙인다.

2016년, 최초의 수소 열차인 프랑스 알스톰의 "Coradia iLint"가 나왔다. 대한민국은 2020년부터 출시했다.

2019년, 대한민국 정부는 "배터리는 소형인 전동기~승용차~선박, 수소는 대형인 상용차~수소 열차~수소비행기~수소선박에 적합하다"고 정리했다.[11] 미래자동차 정책위키

수소와 산소를 이용해 전력을 생산해내는 연료전지의 전력생산 효율은 종류에 따라 다르지만 40~50% 선이다. 전력을 강조해 놓은 이유는 연료전지에서 발생하는 열 또한 이용할 경우의 효율까지 고려해야 하기 때문이다. 이 경우 효율은 80% 이상이며, 연료전지에서 발생하는 열은 물을 가열해 난방이나 온수 등으로 이용할 수 있게 된다. 특히 SOFC, MCFC 등 고온에서 작동하는 연료전지의 경우 발생하는 열에너지가 많으므로 이를 적절하게 이용하는 것이 중요하다고 할 수 있다.

연료를 이용하는 효율이 높아 보일러보다 투입되는 연료는 적으면서 비슷한 에너지를 낼 수 있다는 장점이 있어 보일러를 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다. 하지만 아직까지 보일러보다는 매우 비싼 가격[12]이 발목을 잡아서 진척은 더디다.

한편 전력생산 효율 역시 사실 그렇게 낮은 효율은 아니기도 한데, 이것만 해도 어지간한 내연기관들보다는 효율이 높은 편이며, 지금까지 개발된 동력원들 중에서는 전력생산에 있어서 그럭저럭 쓸만한 효율을 가진 편에 속하기 때문이다.[13] 생물의 에너지 전환율과 비교해 보아도 그러한데, 인간 신체의 미토콘드리아를 통한 포도당 에너지 전환율이 약 40%인 것을 생각해봐도 그러하다는 점을 알 수 있다.

연료전지가 생산한 전기를 '고정된' 가정, 건물, 단지, 도시에 사용하는 경우, 발전소의 한 종류가 된다.

별도의 분리된 문서 참고.

재래식 잠수함의 AIP - 기존 디젤 엔진 잠수함은 가동을 위해 수면에 접근해 스노클을 올려야 했고, 시끄러운 소음과 진동이 발생해 적군의 표적이 되어 위험천만하다. 하지만 연료전지를 이용하면 산소와 수소만 공급해주면 외부 공기가 필요하지 않고 발전이 가능해 수중 작전이 가능해진다. 기존 이차 전지보다 큰 전력 저장이 가능하고 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 덜하다. #. 대한민국 해군의 손원일급 잠수함과 도산안창호급 잠수함 등이 이에 해당한다.

우주왕복선 - 우주선에서의 연료 전지는 1965년 제미니 계획에 사용된 제미니 5호 우주선에 처음 사용되었다. 1969년, 인류가 처음 지구 외의 천체에 발을 디딘 아폴로 11호의 사령선에 들어간 연료전지는 2.3kW의 출력을 낼 수 있었다. 이는 2020년대 일반적인 수소 드론 용량 정도다. 이후 1972년~2011년[20], 미국 우주왕복선 오비터(본체)에는 96셀의 수소연료전지가 들어갔다. 셀 하나가 7,000~12,000와트의 전력을 15분간 발전할 수 있었다. 사실 이렇게 전력이 많이 필요하지는 않았으며 대개 한 번의 미션에서 완전히 방전되는 셀은 한 개 정도였다고 한다. 연료 전지를 이용하면 부산물로 물이 생산된다는 큰 장점이 있으나 현재는 연료 전지보다는 태양전지를 이용하는 추세이다.

우주정거장 - 1998년 발사된 국제우주정거장은 총 100kW의 연료전지를 갖췄으나, 30kW는 연구용이다.

월면차 - JAXA와 토요타가 공동 개발하는 월면차인 루나 크루저 등은 연료전지를 이용할 예정이다. 1만 km 이상 주행을 목표한다. 상세 내용은 루나 크루저 및 아르테미스 계획 등 참조.

2024년 6월, 부산 지하철 승강장에 누가 "소금물 연료전지 시계"를 두고 가, 이를 폭발물로 오인해 운행이 중단되는 해프닝이 있었다. #