수소 및 대체 에너지원 경험으로 축적한 엔지니어링 전문성

일반적으로 전기 분해 장치는 전기 에너지를 활용하여 재료나 분자를 분리, 분해 및 변환하는(산화 화누언 반응) 장치입니다. 물 전기 분해 장치에서는 물 분자(H₂O)가 수소 분자(H₂)와 산소 분자(O₂)로 변환됩니다.

실제 반응은 약 1.4V의 전압의 전지에서 일어납니다. 실용적 이유에서 이러한 셀 여러 개(전기적 직렬 연결)를 스택으로 쌓습니다. 전지 주변의 모든 부속 장비는 '공장 균형'이라는 용어로 불립니다.

공장 균형(BOP, Balance of Plant)은 보통 에너지 기술과 연관지어 사용되는 용어입니다. BOP는 발전 장치 또는 변환 장치 자체를 제외하고 에너지 변환에 필요한 모든 보조 구성품 및 보조 시스템을 의미합니다.

전기 분해 장치의 경우 이는 에너지 관리(변환기, 인버터, 파워 컨트롤러 등), 유체 및 가스 관리(물 상태 관리, 유체 및 가스 단계 분리, 가스 건조, 가스 압축)와 열 관리(파워 일렉트로닉스, 스택 및 응축수 건조를 위한 냉각 시스템)를 포함합니다.

연료 전지는 양극(수소 측)과 음극(공기 측)의 두 극으로 구성됩니다. 두 극 모두 전해액으로 분리되어 있습니다. PEM 연료 전지에서 이는 양성자에만 스며들 수 있는 반투과성 막에 해당합니다.

수소는 양극에 공급됩니다. 그런 다음 수소는 촉매(보통 백금)의 도움으로 양성자와 전자로 나뉩니다. 이후 양성자는 막을 통해 음극으로 이동합니다. 전자는 전기 소비 장치를 통해 음극으로 흘러가 전기 에너지를 공급합니다. 음극에서 양성자와 전극은 주변 공기의 산소와 결합하여 물을 생성합니다.

'전기 기계식 전지'란 전해 전지, 축전지, 전지, 갈바니 전지 등 여러 유형의 전지를 통칭하는 용어입니다. 일부 경우 이러한 전지는 축전지처럼 양면 모두 사용 가능할 수 있습니다. 이러한 전지는 충전과 방전 모두가 가능합니다. 즉, 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하고 다시 전기 에너지로 방출할 수 있습니다. 또한 일부 전해 전지는 연료 전지로 사용할 수도 있습니다. 즉, 수소와 산소를 물로 변환하는 과정에서 전기 에너지와 열이 방출됩니다.

전해 전지와 연료 전지는 양극판, 전극 및 기술에 따라 기체 확산층(GDL, Gas Diffusion Layers)과 막으로 구성됩니다. '양성자/음이온 교환 막'(PEM/AEM, Proton/Anion Exchange Membranes)을 사용하는 경우, 이러한 막은 종종 전극에 직접 연결되며 '막 교환 어셈블리(MEA, Membrane Exchange Assembly)'로 불리기도 합니다.

막 전극 어셈블리(MEA)는 여러 가지로 해석할 수 있습니다. 일부 경우 이는 촉매층으로 코팅된 막만을 의미합니다(한 쪽은 음극 반응, 다른 쪽은 양극 반응용). 그러나 많은 경우 이 용어는 기체 확산층을 포함하는 뜻으로 사용됩니다. 기체 확산층 또한 전도성이어야 하기 때문입니다.

기술에 따라 막은 여러 폴리머나 세라믹으로 구성되며, 각각은 양성자, 음이온(예: 수산화 음이온 = OH) 또는 산소를 선택적으로 운반할 수 있습니다. 가스 확산층은 생산된 가스(전기 분해)를 운반하며, 특히 사용된 기체(연료 전지)를 최대한 균일하게 반응 부위에서 멀리 또는 반응 부위에 가깝게 운반합니다(촉매층). 이러한 기체는 양극판의 채널을 통해 전기 기계식 전지에서 방출되거나 전기 기계식 전지 안으로 유도됩니다.

다중 전지나 스택 구성에 설치된 양극판은 무엇보다도 한 전지의 양극을 바로 옆 전지의 음극과 물리적 및 전기적으로 연결하는 역할을 합니다. 또한 연료 전지의 양극판은 반응 기체를 반응 지점으로 유도합니다. 이를 위해 판 양쪽에 플로 프로필(플로 필드)을 밀링하거나 프레스합니다. 판의 한 쪽에는 수소가 흐르며, 다른 쪽에는 공기가 공급됩니다.

양극판은 단일 연료 전지의 두 극으로 구성됩니다. 양극판(음(-)극)에는 수소가 있으며, 음극판(양(+)극)은 반응 공기를 공급합니다. 또한 이러한 판은 수증기 제거와 열에너지 및 전기 에너지의 출력도 조절합니다. 전해 전지에서 이러한 판은 주로 전기 분해 장치를 냉각하고, 양극 측에 반응 기체를 공급하고, 반응 과정에서 발생한 수소와 기체를 제거하는 데 사용됩니다.

전기 분해 및 연료 전지 기술에서 스택은 직렬로 연결된 전기 기계식 전지의 스택을 의미합니다(하우징/프레임/클램핑 요소 포함). 직렬 연결 덕분에 P=U*I에 따라 같은 전력 소비로 공급 전압을 높이고 전류를 낮출 수 있습니다. 이와 별개로 스택의 직렬 연결은 시스템의 전체 설계를 간소화합니다.

수소 기체는 고압에서 압축한 후 탱크에 저장할 수 있습니다. 예를 들어 운반 시 상업용 차량과 승용차에는 각각 350bar, 700bar의 압력 레벨이 규정되었습니다. 700bar에서 밀도는 약 40kg/m³(350bar에서는 24kg/m³)입니다. 고압 어큐뮬레이터는 저장 수량이 적은 경우 저렴한 가격의 솔루션을 제공하며, 따라서 승용차와 상업용 차량과 같은 이동 애플리케이션에 주로 사용됩니다.
현재 시판되는 압력 용기 유형은 4가지입니다.

• 유형 1: 금속(주로 강철)벽만으로 구성된 압력 용기. 정격 압력은 200bar 내외입니다.
• 유형 2: 금속벽 외에도 수지를 먹인 유리 또는 탄소 섬유 소재의 재킷으로 만들어진 압력 용기. 정격 압력은 최대 1000bar입니다.
• 유형 3: 금속(보통 알루미늄) 라이너가 적용되었으며, 탄소 섬유 소재의 재킷이 전체를 감싼 탱크. 정격 압력은 보통 350bar 또는 700bar입니다.
• 유형 4: 어큐뮬레이터에 플라스틱(보통 폴리아미드 또는 폴리에틸렌) 소재의 라이너가 적용되었으며, 재킷은 보통 유형 3의 용기와 마찬가지로 탄소 섬유 소재입니다. 정격 압력은 보통 350bar, 500bar 또는 700bar입니다.

액체 수소를 연료로 사용하면 기체 수소 저장 시에 비해 에너지 밀도 측면에서 이점이 있습니다(71kg/m³). 또한 탱크 내부의 압력을 낮게 유지할 수 있습니다. 이는 탱크 시스템의 저장 탱크 무게와 공간 요구사항, 비용(특히 저장 용량이 큰 경우)과 안전성 측면에서 긍정적으로 작용합니다.

단, 극저온 수소(-253 C)의 생산 비용은 상당합니다. 또한 이러한 수소는 지속적으로 냉각되지 않으면 가열됩니다. 이로 인해 탱크 내부의 압력이 상승하며, '증발'로 인한 손실이 발생할 수 있습니다. 즉, 기체 수소가 주변으로 날아가 버립니다.

수소 엔진은 액체 연료(디젤, 석유 등)가 아닌 기체 수소를 동력으로 하는 가스 엔진입니다. 순수 기체로만 구동되는 순수 기체 엔진도 있고, 메탄과 천연가스와 같은 다른 기체와 수소의 혼합 연료로 구동되는 이중 연료 수소 엔진도 있습니다.

비교적 적은 기술 투입으로 기존의 내연 엔진을 수소 엔진으로 변환할 수 있는 만큼, 수소 엔진은 연료 전지의 대안으로 간주됩니다. 그러나 연구 결과에 따르면 연료 전지를 늘리는 경우 비용상의 이점은 현저히 감소합니다. 또한 수소 엔진은 낮은 효율성, 높은 유지보수 요구사항과 100% 탄소 중립이 아니라는 단점이 있습니다.

"연료 전지 전기차"(FCEV)는 "배터리 전기차"(BEV)와 마찬가지로 전기 모터로만 작동합니다.

단, FCEV는 BEV와 달리 필요한 전기 에너지를 대형 구동 배터리(트랙션 배터리라고 함)에서 얻지 않습니다. 대신 FCEV는 연료 전지를 통해 대체 에너지원의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하여 사용합니다.

현재 연료 전지는 내연 엔진과 같은 급속하고 오래가는 부하 변경에 맞게 설계되지 않았습니다. 이러한 이유로 (소형) 구동 배터리도 함께 설치되며, 이 배터리는 부하가 낮은 경우 에너지를 공급받고 부하가 높은 경우 추가적인 에너지를 공급합니다. 이를 통해 FCEV를 운전할 때 연료 전지를 비교적 일정한 부하에서 작동할 수 있습니다.

연료 전지 발전소(FCPP), 열 및 전전력 결합(CHP)과 연료 전지 결합 열 및 전력 발전소(FC-CHPPP)는 전반적으로 높은 효율성을 자랑합니다. 사용된 연료 전지 기술에 따라 현재 이의 전기 효율성은 약 30~60%입니다. 추가적인 변환 단계 없이 전기와 열이 전기 기계 반응에서 직접 생성되므로, 전반적인 효율성은 95%를 초과할 수 있습니다.

현재까지 연료 전지 발전소는 주로 10kw~3MW의 전력 범위 내에서 개발되었습니다. 그러나 최근 몇 년 동안 낮은 전력 범위에서의 개발은 점점 더 전기 출력 0.3~1.5kW, 열 출력 0.6~2.0kW의 단독주택과 땅콩주택을 위한 마이크로 및 나노 연료 전지 결합 열 및 전력 발전소의 방향으로 나아가고 있습니다. 고전력 범위에서는 약 80MW의 발전소가 이미 실현되었으며, 향후 모듈식 설계를 통해 이러한 전력 범위는 더 높아질 예정입니다.

Power-to-X(PtX 또는 P2X라고도 함)란 다양한 기술을 보조하기 위해 여러 재생 에너지의 과잉 전기를 사용하는 것을 의미합니다. 예를 들어 이러한 과잉 전기를 배터리에 직접 저장(power-to-power)하거나, 열로 변환하거나(power-to-heat), 화학 에너지원을 생산하는 데(power-to-gas, power-to-liquid) 사용할 수 있습니다.

과잉 전기를 화학 에너지원을 생산하는 데 사용하는 경우는 별도로 구별됩니다(예: power-to-hydrogen, power-to-syngas, power-to-ammonia, power-to-fuel).

암모니아(NH3)는 질소와 수소의 화합물로서, 일반적인 조건에서는 기체 형태로 존재합니다. 1840년경 Justus Liebig이 질소 비옥화를 개발한 이래 이는 가장 중요한 기본 화학 물질 중 하나로 자리잡았습니다. 하지만 1913년 루드비히스하펜의 BASF가 Haber-Bosch 프로세스를 산업 규모로 사용한 후에야 연간 생산량을 상당히 늘릴 수 있었습니다. 오늘날 암모니아는 가장 많이 생산된 화학 물질(2021년 1억 4,650만 톤. 이는 비료의 80%에 달함) 중 하나이자 기타 모든 질소 화합물을 만들기 위한 기반 물질입니다.

지속 가능한 수소 경제 개발을 위해서는 연간 암모니아 생산량이 더 늘어날 것으로 예상됩니다. 이는 암모니아가 순수 수소보다 운반과 보관이 더 용이하기 때문입니다.

암모니아는 끓는점이 -33°C로 비교적 높아서 끓는점이 -252°C인 수소보다 쉽고 저렴하게 액화할 수 있습니다. 암모니아의 용적 에너지값은 수소보다 높아서(암모니아: 3.2kWh/l, 수소: 2.8kWh/l) 운반이 더 용이하기도 합니다.