공조냉동기계기술사 134회, 3교시, 5번, 수소연료전지에 대하여 다음을 각각 설명하시오.

 

 

1. 원본 문제

 

2. 수소연료전지 작동원리

수소연료전지는 수소(H₂)와 산소(O₂)의 화학 반응을 통해 전기를 생성하는 장치입니다.

 

수소 공급

 

• 연료전지의 음극(Anode) 쪽에 수소가 공급됨

 

수소의 이온화

 

• 음극에서 수소가 촉매(일반적으로 백금)에 의해 양성자(수소 이온, H⁺)와 전자(e⁻)로 분리됨
• 반응식: H₂ → 2H⁺ + 2e⁻

 

양성자의 이동

 

• 생성된 H⁺는 고분자전해질막(PEM, Proton Exchange Membrane)을 통과하여 양극(Cathode)으로 이동

 

전자의 이동 및 전기 생성

 

• 전자는 고분자전해질막을 통과하지 못하기 때문에 외부 회로를 통해 양극으로 이동하며 전류(전기)를 생성

산소와 반응

 

• 양극에서는 외부에서 공급된 산소(O₂)와 이동한 H⁺ 및 e⁻가 반응하여 물(H₂O)을 생성
• 반응식: ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O

 

에너지 생산

 

• 이 과정에서 발생하는 전기를 이용해 다양한 장치에 전력을 공급

 

3. 수소연료전지 문제점

수소연료전지는 친환경적이고 효율적인 에너지원이지만, 다음과 같은 문제점이 있습니다.

 

수소 생산의 어려움

 

• 수소는 자연에서 순수한 형태로 존재하지 않으며, 물(H₂O) 분해 또는 천연가스 개질(SMR) 등의 공정을 거쳐야 합니다.
• 대부분의 수소는 현재 화석연료 기반으로 생산되며, 이 과정에서 탄소배출이 발생합니다.

 

수소 저장 및 운송 문제

 

• 수소는 낮은 밀도를 가지므로 저장 및 운반이 어렵습니다.
• 액화수소(−253°C에서 보관)나 고압(700bar 이상) 저장이 필요하여 에너지 비용이 높습니다.

 

연료전지의 내구성과 비용 문제

 

• 연료전지의 촉매로 사용되는 백금은 가격이 매우 비쌉니다.
• 연료전지 스택의 수명이 내연기관보다 짧고, 내구성 개선이 필요합니다.

 

수소 인프라 부족

 

• 수소충전소가 부족하여 실용화가 어렵습니다.
• 수소 공급망(파이프라인, 충전소 등)이 미비하여 초기 투자 비용이 큽니다.

 

3. 수소연료전지 문제점에 대한 해결방안

수소연료전지의 문제점을 해결하기 위해 다음과 같은 방안이 추진되고 있습니다.

 

친환경적인 수소 생산 기술 개발

 

• 재생에너지(태양광, 풍력)를 활용한 그린 수소(수전해 방식) 기술 개발
• 수소 생산 시 탄소포집기술(CCUS)을 적용하여 탄소배출을 줄이는 방법 연구

 

저장 및 운송 기술 개선

 

• 금속수소화물, 액체유기수소운반체(LOHC)와 같은 고효율 수소 저장 기술 개발
• 암모니아(NH₃)와 같은 수소운반체를 활용하여 저장 및 운송 비용 절감

 

연료전지 기술 혁신

 

• 백금 사용량을 줄이거나 대체 촉매(니켈, 코발트 기반 촉매) 개발
• 연료전지 스택의 내구성을 개선하여 수명을 연장하고 유지보수 비용 절감

 

수소 인프라 확충

 

• 정부 및 기업 주도로 수소충전소 확대 및 보조금 지원
• 수소 공급망을 구축하여 경제성을 확보하고, 대량 생산 체계를 확립

 

 

이상으로 풀이를 마치도록 하겠습니다. 

모두 힘내세요!