친환경 에너지로 각광받고 있는 수소에너지의 변환과정은 어떻게 되나요?
몇 년전부터 전 세계적으로 친환경 에너지가 각광받고 있는데요. 수소에너지에 대해서 우리 나라 대기업인 현X에서도 지원을 상당히 많이 하고 있다고 합니다.
그런데 수소라는 물질은 상당히 위험성이 많은 물질인데 어떻게 하면 수소에너지를 사용가능한 형태로 변환이 되는 것인가요?
안녕하세요. 원형석 과학전문가입니다.
)수소에너지의 발생원리
수소에너지기술은 물,유기물,화석연료 등의 화합물 형태로 존재하는 수소를 분리,생산해서 이용하는기술
수소는 물의 전기분해로 가장 쉽게 제조할 수 있으나 입력에너지(전기에너지)에 비해 수소에너지의
경제성이 너무 낮으므로 대체전원 또는 촉매를 이용한 제조기술 연구
※ 에너지보존법칙상 입력에너지(수소생산)가 출력에너지(수소이용)보다 큰 근본적인 문제가 있음
수소는 가스,액체로서 수송할수 있으며 고압가스,액체수소,금속수소화물 등의 다양한 형태로 저장 가능
현재 수소는 기체상태로 저장하고 있으나 단위 부피당 수소저장밀도가 너무 낮아 경제성과 안정성이
부족하여 액체 및 고체저장법을 연구 중
2)수소에너지의 장점과 단전
분류
장 점
단 점
수소
에너지
수소는 연료로 사용할 경우에 연소시 극소량의
NOx 발생을 제외하고는 공해물질이 생성되지
않으며, 직접 연소에 의한 연료로서 또는 연료전
지 등의 연료로서 사용이 간편하다.
수소는 가스나 액체로서 쉽게 수송할 수 있으며,
고압가스, 액체수소, Metal hydride (금속수소화
물 또는 수소흡장합금) 등의 다양한 형태로 저장
이 용이하다.
수소는 궁극적으로는 무한정인 물을 원료로 하
여 제조할 수 있으며, 사용후에는 다시 물로 재
순환이 이루어진다.
수소는 산업용의 기초 소재로부터 일반 연료, 수
소자동차, 수소비행기, 연료전지 등 현재의 에너
지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용
될 수 있다.
단점은 없으며 기술력 확보가 관건
3)수소에너지의 이용분야
기술개발 현황
1980년대 후반까지 신재생에너지로서의 수소에너지 기술개발에 대한 인식 부족으로 인하여 전반적인 연구 수준은 기초 단계
수소 제조
천연가스로부터 수소제조 기술을 일부 확보하였으며 저가의 대용량 수소 제조에 대한 기술개발이 진행 중
천연가스로부터 대량 수소 제조 및 저장(한국가스공사)
탄화수소 촉매반응에 의한 연속적 수소제조(성균관대)
수소 저장
실험실 규모의 액체저장법(-253℃) 및 고체저장법인 MH(수소저장합금)의 소재 개발을 수행하였으며 탄소나노튜브를 이용 수소 저장 기술을 개발 중
핵심소재 기술개발을 위한 탄소나노튜브 이용 수소저장(전북대) 연료전지 차량용 고압수소 저장 기술개발 추진(현대차)
수소 스테이션 기술 개발 및 실증연구(30N㎥/hr급)
천연가스 이용한 수소스테이션 건설 및 실증연구(한국가스공사)
액체연료(LPG)를 이용한 수소스테이션 건설 및 실증연구 (GS칼텍스)
LPG를 이용한 수소 스테이션 국산화 기술개발(SK에너지)
제주도(수전해) 및 울산ㆍ여천(이동식 충전소)에 수소 스테이션 건설 예정
4)수소에너지 연료전지의 원리와 특징
연료전지기술
연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술
H₂+ 1/2O₂→ H₂O + 전기
생성물이 전기와 순수(純水)인 발전효율 30~40%, 열효율 40% 이상으로 총 70~80%의 효율을 갖는
신기술임
연료전지 발전원리(단위전지)
연료중 수소와 공기중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전
① 연료극에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리 →
② 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는외부회로를 통해 공기극으로 이동 →
③ 공기극 쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물(물)을 생성
⇒최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열생성
수소 연료전지는 수소와 산소 분자가 결합하여 물이 되면서 발생하는 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치입니다. 수소 연료전지는 음극에 공급된 수소가 수소이온과 전자로 산화되고, 양극에서는 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 전자가 결합하여 물을 만드는 환원이 일어나며, 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성해 전기에너지로 변환됩니다.
안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다. 수소에너지는 여러 변환방법이 있지만 현재 연구 중인 방법은 수소 연료전지를 통해 전기에너지로 변환하는 것입니다. 수소 연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 이용해 전기를 생산합니다. 이 반응에서 생산된 전기는 외부 회로를 통해 사용되며, 물과 열만이 부산물로 생깁니다. 수소 연료전지에서는, 수소를 양극에, 산소를 음극에 공급합니다. 수소 분자는 양극에서 전해질을 통과하여 전자와 수소이온으로 분리됩니다. 전자는 외부 회로를 통해 전기를 공급하고, 수소이온은 전해질을 통해 음극으로 이동하여 산소와 결합하여 물을 생성합니다. 이렇게 생성된 전기는 외부 회로를 통해 전기에너지로 사용됩니다.