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문제 2. 수소 연료전지(Fuel Cell)에 대하여 다음 각 사항을 설명하시오.
가. 원리
나. 장점
다. 국내 수소연료전지 상용화 사례
라. LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier)
마. 촉매를 이용한 효율성 증가
가. 원리
수소 연료전지는 수소(H₂)와 산소(O₂)의 화학 반응을 통해 전기를 생성하는 장치다
- 연료공급: 연료극(애노드)에 수소가 공급되고, 공기극(캐소드)에는 산소가 공급된다
- 화학반응: 애노드에서 촉매의 도움으로 수소가 양성자(H⁺)와 전자(e⁻)로 분리된다
- 반응식: H₂ → 2H⁺ + 2e⁻
- 전자 이동: 전자는 외부 회로를 통해 이동하며 전기를 발생시킨다
- 양성자 이동: 양성자는 전해질(PEM, Polymer Electrolyte Membrane)을 통해 캐소드로 이동한다
- 산소 반응: 캐소드에서 산소와 양성자, 전자가 결합하여 물(H₂O)을 생성한다
- 반응식: O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
- 전체 반응: H₂ + ½O₂ → H₂O + 전기 + 열
나. 장점
- 친환경성 : 물만 배출되며, 탄소 배출이 없어서 환경오염이 거의 없음
- 높은 에너지 효율 : 열역학적 한계 효율에 근접하며, 기존 화석연료 엔진보다 높은 효율을 보임
- 다양한 연료 사용 가능 : 순수 수소뿐만 아니라 메탄, 메탄올 등의 화합물에서도 수소를 추출 가능
- 저소음 운전 : 전기화학 반응을 기반으로 하기 때문에 기계적 소음이 거의 없음
- 모듈형 시스템 : 규모에 따라 설계가 가능하며, 소규모 가정용에서 대규모 발전소까지 적용 가능
다. 국내 수소연료전지 상용화 사례
- POSCO Energy의 연료전지 발전소
- 대한민국 최초의 연료전지 발전소로, 인천 연료전지 발전단지에서 전기와 열을 생산
- 상업용 연료전지를 도입하여 전력망 안정화와 에너지 효율 증대에 기여
- 현대자동차의 수소전기차
- 세계 최초의 양산형 수소전기차인 넥쏘(NEXO)
- 고속충전과 장거리 주행이 가능하며, 국내 주요 도시에서 충전 인프라 확충
- 가정용 연료전지 시스템
- 두산퓨얼셀의 PureCell 모델
- 주택 및 상업 시설에 열병합 발전(CHP)을 통한 전기와 난방 공급
라. LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier
LOHC는 유기화합물을 매개체로 사용하여 수소를 액상 형태로 저장하고 운송하는 기술이다
- 원리
- 유기화합물(예: 톨루엔)에 수소를 결합시켜 액상 형태로 저장
- 필요 시 탈수소화 반응을 통해 수소를 다시 추출
- 장점
- 고압 저장이 필요 없어 안전성이 높음
- 기존의 석유 기반 인프라(탱크, 배관 등) 활용 가능
- 높은 에너지 밀도와 긴 저장 기간
- 국내 적용 사례
- SK에너지 및 효성그룹 등이 LOHC 기술 개발에 투자
- 수소 수송 및 저장용 신규 솔루션으로 채택
마. 촉매를 이용한 효율성 증가
수소 연료전지에서 촉매는 전기화학 반응 속도를 향상시키며, 효율성과 내구성을 결정짓는 핵심 요소이다
- 백금(Pt) 기반 촉매
- 가장 일반적으로 사용되는 촉매로, 수소 분해 및 산소 환원 반응에 높은 효율성을 제공
- 대체 촉매 개발
- 백금의 비용 문제를 해결하기 위해 비귀금속 촉매(예: Fe-N-C, Co-N-C)가 연구 중
- 그래핀 기반 및 나노구조 촉매도 상용화 가능성을 보임
- 촉매 코팅 기술
- 나노입자를 균일하게 분산하여 활성 면적을 극대화
- 촉매의 내구성과 반응 효율성을 동시에 향상
- 국내 연구 사례
- KAIST, UNIST 등에서 효율적이고 저비용 촉매 개발에 성공
- 현대자동차는 백금 사용량을 줄인 차세대 연료전지 시스템 개발 중
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