연료전지의 개념, 시공, PEMFC

연료전지의 개념 : 전기와 열을 생산하기

 

수소+산소>전기+열+물

위의 그림처럼, 전해질을 통과한 수소와 산소가 만나 물을 만들고,
이 과정에서 전기, 열을 생산하는 것이 연료전지입니다.
화학적 반응을 통해서 전기와 열을 만들어냅니다.

연료(수소)를 계속 공급해주어야 하지만,  충전 없이 사용 가능하다는 점이 이차전지와의 차이점입니다.

이러한 열은 급탕이나 난방에 활용할수 있고, 전기는 건물을 구성하는 설비의 전원 전력으로 사용할 수 있게 됩니다.
연료전지는 수소를 연료로 하지만, 실제로 수소를 공급할 수 있는 인프라는 많지 않습니다.
현재는 도시가스 배관을 연결하여 수소연료를 공급하는 방식을 많이 사용하고 있습니다.
도시가스를 계통에 공급할 때는 저압(2.5 kpa)으로 사용가능합니다.

연료전지를 급탕의 열원으로 사용하기, 시공계통도

연료전지는 실로 발전소, 자동차, 가정, 건축물 등 사용되는 분야가 다양합니다.
그중 건축물에 활용되는 시공방식에 대해 보겠습니다.
연료전지를 열원(보일러처럼)으로 사용하여, 온수저장탱크를 연결 후 급탕을 공급하는 방식입니다.

연료전지에는 도시가스와 시수(냉각수 겸)가 들어갑니다.
도시가스는 연료전지를 동작하게 하기 위한 수소를 공급하는 역할이고,
물은 온수를 생산하는 과정에서 필요합니다.
연료전지에서 생산한 온수는 저장탱크로 가고, 적정온도가 되면 사용처로 공급하게 됩니다.
물은 온수의 재료이기도 하지만, 너무 과열될 경우 이를 식혀주는 냉각수의 역할도 하게 되는데,
이때 식히면서 버려질 수 있는 열을 온수환수관과 연결하여 재활용할 수도 있습니다.


연료전지만으로 단독구성하는 것보다는, 온도에 따라 예비계통을 구성하는 방법이 있습니다.
급탕탱크의 온도에따라 40도가 넘으면 사용처로 바로 공급하며,
40도 아래로 내려가게 되면 지역난방공사의 열(열원공급을 통해)로 온수를 만들게끔 계통을 구성합니다.

기본계통에 추가로, 발생하는 배기가스의 배출을 위해 연도공사도 필요합니다.

고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)와 주택용 연료전지

연료전지는 북미, 일본시장이 선도하고 있습니다.
'22년도 기준, 연료전지 시장에서 가장 많은 점유율을 차지하고 있는 종류가 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)입니다.
작동온도가 낮고, 출력밀도가 높다는 것이 장점이며,
수소전기차와 가정, 상업용으로 활용할 수 있는 시장성이 점유율을 높인 것 같습니다.
그러나 고온운전이 불가하고, 부품이 고가인 점은 개선해야 할 부분입니다.

주택용 연료전지를 사용한다고 한다면, 다양한 제품군을 고려해 볼 수 있습니다.


'21년도 기준으로 국산제품과 외국산제품군으로 분류해 보았습니다.
대부분 A/s를 고려한다면 국산제품을 선택하지만,
비용과 용량, 온수저장이 분리되어도 상관없는 현장인지 확인하여 다방면으로 고려 후 제조사를 선택하는 것도 방법입니다.
금액 부분에서는 두산, 에스퓨얼셀 제품이 3천만 원 수준으로 도시바, 파나소닉 제품보다는 높으나, 옵션사항이나 용량이 반영된 가격인 것 같습니다.

출처 : 2021 한국 설비기술협회 7,8월호