연료전지(Fuel cell)

연료전지(Fuel cell)

연료전지는 한 쌍의 리독스 반응을 통해 연료(흔히 수소)와 산화제(흔히 산소)의 화학 에너지를 전기로 변환하는 전기화학 전지다. 연료전지는 화학반응을 지속하기 위해 연속적인 연료와 산소 공급원을 필요로 하는 대부분의 배터리와 다른 반면, 배터리의 화학 에너지는 일반적으로 플로우 배터리를 제외하고 배터리에 이미 존재하는 금속과 그 이온 또는 산화물에서 나온다. 연료전지는 연료와 산소가 공급되는 한 지속적으로 전기를 생산할 수 있다.

최초의 연료 전지는 1838년 윌리엄 그로브 경에 의해 발명되었다. 연료 전지의 상업적 사용은 1932년 프란시스 토마스 베이컨에 의해 수소-산소 연료 전지가 발명된 이후 1세기 이상 후에 이루어졌다. 발명가의 이름을 따서 베이컨 연료전지로도 알려진 알칼리성 연료전지는 1960년대 중반부터 NASA 우주 프로그램에 인공위성과 우주 캡슐의 전력을 생산하기 위해 사용되었다. 그 이후로, 연료 전지는 많은 다른 용도에 사용되었다. 연료전지는 상업용, 산업용 및 주거용 건물의 1차 및 예비 전력과 원격 또는 접근 불가능한 지역에 사용된다. 그들은 또한 지게차, 자동차, 버스, 보트, 오토바이, 잠수함 등 연료전지 차량에 동력을 공급하는데 사용된다.

연료전지의 종류는 여러 가지가 있으나, 모두 양극, 음극, 전해질로 구성되어 있어, 흔히 양전하를 띤 수소이온(프로톤)이 연료전지의 양면 사이를 이동할 수 있다. 양극에서 촉매는 연료가 이온(종종 양전하 수소 이온)과 전자를 생성하는 산화 반응을 겪게 한다. 이온들은 양극에서 전해질을 통해 음극으로 이동한다. 동시에 전자가 양극에서 외부 회로를 통해 음극으로 흐르면서 직류 전기를 생산한다. 음극에서 또 다른 촉매는 이온, 전자, 산소가 반응하여 물과 다른 생성물을 형성하게 한다. 연료전지는 사용하는 전해질의 종류와 양성자 교환막 연료전지(PEM 연료전지 또는 PEMFC)의 경우 1초부터 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우 10분까지의 시작시간 차이에 따라 분류된다. 관련 기술은 연료가 재충전되어 재생될 수 있는 플로우 배터리다. 개별 연료 전지는 약 0.7V의 비교적 작은 전위를 생성하므로, 전지는 애플리케이션 요구 사항을 충족하기에 충분한 전압을 생성하기 위해 "스택"되거나 직렬로 배치된다.[4] 연료전지는 전기 외에 물, 열을 발생시키고 연료원에 따라 매우 적은 양의 이산화질소 및 기타 배출물을 생성한다. 연료전지의 에너지 효율은 일반적으로 40~60%이지만, 폐열을 열병합발전 방식으로 포착할 경우 최대 85%의 효율을 얻을 수 있다.

연료전지 시장은 성장하고 있으며, 2013년 파이크리서치는 정지된 연료전지 시장이 2020년까지 50GW에 이를 것으로 추정했다.

수소 연료 전지에 대한 최초의 언급은 1838년에 나타났다. 1838년 10월 날짜의 편지에서 그러나 런던과 에딘버러 철학잡지와 저널 오브 사이언스에 게재된 1838년 12월호에서 웨일스 물리학자이자 법정 변호사인 윌리엄 그로브 경은 그의 첫 번째 원유 전지의 개발에 대해 썼다. 그는 판철, 구리, 도자기 접시의 조합과 구리와 묽은 산의 황산 용액을 사용했다. 1838년 12월에 썼으나 1839년 6월에 출판된 같은 간행물에 보낸 편지에서 독일의 물리학자 크리스티안 프리드리히 쇤베인은 그가 발명한 최초의 조악한 연료전지에 대해 논했다. 그의 편지는 물에 용해된 수소와 산소에서 발생하는 전류에 대해 논했다. 그로브는 이후 1842년 같은 저널에 자신의 디자인을 스케치했다. 그가 만든 연료전지는 오늘날의 인산 연료전지와 유사한 물질을 사용했다.

1932년 영국의 엔지니어 프란시스 토마스 베이컨은 5kW 정지 연료전지를 성공적으로 개발하였다. 발명가의 이름을 따서 베이컨 연료전지라고도 알려진 알칼리성 연료전지(AFC)는 NASA가 1960년대 중반부터 사용해 온 가장 발전된 연료전지 기술 중 하나이다.

1955년 W. 제너럴 일렉트릭 컴퍼니(GE)에서 일하는 화학자 토머스 그루브는 황화 폴리스티렌 이온교환막을 전해액으로 사용하여 원래의 연료전지 디자인을 더욱 수정했다. 3년 후 또 다른 GE 화학자인 레오나드 니드라크는 백금을 막에 침전시키는 방법을 고안했는데, 이것은 필요한 수소 산화 및 산소 감소 반응의 촉매 역할을 했다. 이것은 "Grubb-Niedrach 연료 전지"로 알려지게 되었다. GE는 NASA 및 맥도넬 항공기와 함께 이 기술을 개발하여 제미니 프로젝트 기간 동안 이 기술을 사용하게 되었다. 이것은 연료전지를 상업적으로 사용한 최초의 일이었다. 1959년 해리 이릭이 이끄는 팀은 앨리스-찰머스를 위한 15kW 연료전지 트랙터를 만들었는데, 이것은 주 박람회에서 미국 전역에서 시연되었다. 이 시스템은 수산화칼륨을 전해액으로, 압축 수소와 산소를 반응 물질로 사용했다. 이후 1959년 베이컨과 그의 동료들은 용접기에 동력을 공급할 수 있는 실용적인 5킬로와트 유닛을 시연했다. 1960년대에 프랫 앤 휘트니는 베이컨의 미국 특허를 허가하여 전기와 식수(우주선 탱크에서 쉽게 구할 수 있는 수소와 산소)를 공급했다. 1991년에 최초의 수소 연료전지 자동차는 로저 빌링스에 의해 개발되었다.

UTC파워는 병원, 대학, 대형 오피스 빌딩에서 공동 발전소로 사용할 수 있는 대형 정지형 연료전지 시스템을 제조, 상용화한 최초의 회사였다.

미 상원은 연료전지 산업과 연료전지 개발에 대한 미국의 역할을 인정하여 2015년 10월 8일을 S. RES 217을 통과하여 수소와 연료전지의 날로 인정하였다. 이 날짜는 수소의 원자 중량(1.008)을 인정하여 선택되었다.