응용화학개론 - 연료 전지에 관하여

소개글

응용화학개론 - 연료 전지에 관하여에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

청정에너지를 갈구하는 사람들이 계속해서 관심을 가지는 대상이 소형 발전소라고 할 수 있는 연료전지이다. 연료전지는 화석연료를 태우지 않고 오염물을 배출하지 않으면서 전기에너지를 생산한다. 그러나 기술적 발전은 아직도 원하는 바에 다소 미치지 못하였다. 즉, 대부분의 연료전지는 수소기체를 사용할 때 그 성능이 좋으나 수소는 저장과 수송이 수월하지 않다. 또한, 화석연료를 이용하는 연료전지는 운전이 오래 지속되지 않는다.
최근에 여러 연구자들의 노력으로 천연가스, 에탄 등 화석연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 기술이 비약적으로 발전하여 상용화를 앞두고 있다. 세라믹 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cells, SOFCs)는 전지 내부에서 탄화수소를 전환하고 개질시켜 수소를 생성시키는데, 이를 위해 높은 온도에서 운전하여야 하며 열적 안정성이 뛰어난 값비싼 재료가 사용되어야 한다. 그러나 최근의 일련의 연구성과로 탄화수소로부터 직접 전기를 생산하는 길이 열렸다. 현재 200가구에 전기를 공급할 정도로 매우 효과적인 대규모 발전이 가능하다.
미국 National Energy Technology Laboratory(Morgantown, West Virginia)에서 연료전지 연구를 관장하고 있는 Mark Williams 박사는 관련기술이 어려운 고비를 넘어선 것으로 판단하고 있다. 전문가들의 예상에 따르면, 각종의 다양한 세라믹 연료전지들이 각 가정에서 사용되는 소형발전기로부터 도시에 전기를 공급하는 장치에 이르기까지 광범위하게 사용될 것이다. 미국 Pacific Northwest National Laboratory(Richland, Washington)에서 연료전지 연구를 이끌고 있는 Subash Singhal 박사는 연료전지의 시장규모가 10-15년내에 수십억 달러에 이를 것으로 전망한다. 영국 Birmingham 대학의 고체산화물 연료전지 전문가인 Kevin Kendall 박사는 10년전에는 상상하지 못했던 일들이 갑자기 현실화되고 있다고 평하였다.
수소 연료전지는, 배터리와 같이, 음전하를 띈 cathode, 양전하를 띈 anode, 그리고 이 두 전극사이에서 특정 이온만 통과시키는 분리막으로 구성된다. 수소기체가 anode쪽으로 투입되면서 수소이온과 전자로 나뉘어지고 전자는 anode를 통해 전류로 배출되어 연결된 장치에 공급된 후 cathode로 순환된다. 한편, 수소이온은 분리막을 통과하여 cathode로 전달되며 공기중의 산소 그리고 순환되어 들어오는 전자와 결합하여 물을 생성하고 열을 발생한다.
고체산화물 연료전지는 수소 전지의 정반대이다. Cathode를 통해 들어오는 전자를 산소가 잡아 산소이온이 되어 yttria-stabilized zirconia(YSZ)와 같은 세라믹 분리막을 통과한다. Anode에서 산소이온이 탄화수소와 반응하여 전기, 물, 그리고 이산화탄소가 생성된다.
하지만 탄화수소가 산소와 결합하여 이산화탄소를 생성하는 대신 SOFC 니켈 anode에 탄소가 침적되는 경우가 많다. 탄화수소를 개질하지 않는 한 약 1000℃에서 탄소가 침적되므로 anode로 산소의 공급을 원활히 하여야 한다. 이를 위해 Northwestern University의 Scott Barnett 교수 연구팀은 원자 스프레이 페인팅 기법으로 YSZ 분리막을 5 ?m의 두께로 형성한 바 있다. 이는 기존의 150?m보다 매우 얇은 두께이다. 산소가 이 박막을 600℃ 근처에서 잘 통과하지만, 이 온도에서 니켈 anode가 비활성적이다. 그래서 Barnett 교수 연구팀은 낮은 온도에서도 활성을 갖는 니켈-세리아 anode를 개발하기에 이르렀다.
낮은 운전온도는 두 가지 장점을 가진다. 즉, 탄소 침적을 방지하고 열적 스트레스를 줄여준다. 이것이 가능하다면 열에 강한 합금이 아닌 철을 사용하여 연료전지를 만들 수 있으므로 가격이 저감된다.
또 다른 주목해야 할 발명을 University of Pennsylvania의 Raymond Gorte 교수 연구팀에 의해 고안되었다. 니켈 함유 anode를 대신하여 세리움 또는 사마리움 산화물과 섞인 구리를 사용함으로써 탄소-탄고결합의 형성을 방지할 수 있게 되었다. 그들이 사용한 YSZ 분리막의 두께는 60?m 정도이고 700℃에서 운전 가능하다. 분리막의 두께를 더 얇게한다면 더 좋은 성능을 보일 것으로 기대된다
KIST, 생물 연료전지 이용 새 BOD측정기 개발
폐수를 처리하는 과정에서 발생하는 전기량을 이용해 폐수의 오염정도를 나타내는 생물화학적산소요구량(BOD) 농도를 자동으로 측정할 수 있는 계측기가 국내 연구진에 의해 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST원장 박호군) 수질환경연구센터 김병홍김형주현문식 박사팀은 지난해 10월부터 1년 동안 총 1억원의 연구비를 투입, 생물연료전지를 이용한 새로운 BOD 자동측정기 개발에 성공했다고 30일 발표했다.
KIST가 개발한 새로운 BOD 자동측정기는 호기성 미생물과 DO전극(용존산소량 측정전극)을 이용, 폐수에 남아있는 용존산소량으로 BOD 농도를 측정하는 기존의 측정기기와는 달리 폐수를 처리하며 생산되는 전기 발생량에 따라 BOD 농도를 자동으로 측정할 수 있는 것이 특징이다.
또 오염도가 높은 중금속이나 독극물이 폐수에 유입될 경우 전기 발생량이 급격히 감소하는 특성을 나타내 경보가 발생하고 중앙통제소를 통해 자동 제어가 가능하기 때문에 독극물 및 중금속 감지센서를 비롯, 수질자동분석장치 및 수질감시시스템 개발 등 다양한 폐수에 대한 응용성이 뛰어나다는 장점을 가지고 있다.
연구팀은 새로 개발한 BOD 자동측정기가 용존산소량 측정전극을 사용하는 기존의 방법에 비해 고장이 적고 BOD 농도가 20ppm 이하인 저농도에서도 반복 측정값의 오차가 2% 이내로 매우 안정적이라고 밝혔다.
연구팀은 기존의 BOD 측정기의 대당 판매가격이 6000만원에서 1억원인 반면 KIST가 개발한 BOD 측정기는 대당 4000만원 정도로 저렴해 향후 10년 동안 총 2000억원 이상의 수입대체 및 관련제품의 수출과 기술이전 수입이 기대된다고 밝혔다.

키워드

연료전지,   효율성.,   고효율 발전