청정수송을 위한 수소연료전지의 동향과 전망

이 기사에서는 수소 연료 전지, 동향 및 적용 전망에 중점을 둘 것입니다. 20세기가 내연기관의 세기였다면 21세기는 자동차산업에서 수소에너지의 세기가 될 수도 있기 때문에 오늘날 자동차산업에서 수소기반 연료전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이미 오늘날 수소 전지 덕분에 우주선이 작동하고 일부 국가에서는 전기를 생성하기 위해 수소가 10년 이상 사용되었습니다.

수소 연료 전지는 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 발생시키는 전지와 같은 전기 화학 장치로, 화학 반응의 산물은 순수한 물이며, 예를 들어 천연 가스를 태우면 환경에 유해한 이산화탄소가 생성됩니다.

또한 수소 전지는 더 높은 효율로 작동할 수 있기 때문에 특히 유망합니다. 효율적이고 환경 친화적인 자동차 엔진을 상상해 보십시오.그러나 현재 전체 인프라가 구축되고 석유 제품에 특화되어 있으며 자동차 산업에서 수소 전지를 대규모로 도입하는 것은 이것과 다른 장애물에 직면해 있습니다.

한편, 1839년부터 수소와 산소가 화학적으로 결합하여 전류를 얻을 수 있다는 것이 알려졌습니다. 즉, 물의 전기분해 과정이 가역적이라는 사실이 확인된 과학적 사실입니다. 이미 19세기에 연료 전지가 연구되기 시작했지만 석유 생산의 발달과 내연 기관의 생성으로 인해 수소 에너지원이 남게 되었고 그들은 이국적이고 수익성이 없으며 생산 비용이 많이 들게 되었습니다.

1950년대에 NASA는 필요에 따라 수소 연료 전지에 의존할 수밖에 없었습니다. 그들은 우주선을 위한 작고 효율적인 발전기가 필요했습니다. 그 결과 아폴로와 제미니가 수소연료전지를 타고 우주로 날아갔고, 이것이 최적의 솔루션으로 판명됐다.

오늘날 연료 전지는 실험 기술에서 완전히 벗어났으며 지난 20년 동안 광범위한 상업화에서 상당한 진전이 이루어졌습니다.

수소 연료 전지에 대한 높은 기대가 헛되지 않습니다. 작업 과정에서 환경 오염이 최소화되고 기술적 이점과 안전성이 분명하며 이러한 유형의 연료는 근본적으로 자율적이며 무겁고 값 비싼 리튬 배터리를 대체 할 수 있습니다.

수소 전지의 연료는 화학 반응 과정에서 직접 에너지로 변환되며 여기서 기존 연소보다 더 많은 에너지를 얻습니다.화석 연료를 사용하는 유사한 장치보다 연료 소비가 적고 효율이 3배 이상 높습니다.

효율이 높을수록 반응 중에 발생하는 물과 열을 활용하는 방법이 더 잘 조직됩니다. 물, 에너지 및 열만 방출되기 때문에 유해 물질의 배출이 최소화되는 반면 가장 성공적으로 조직된 전통적인 연료 연소 공정에서도 질소 산화물, 황, 탄소 및 기타 불필요한 연소 생성물이 필연적으로 형성됩니다.

또한 기존의 연료 산업 자체는 환경에 해로운 영향을 미치며 수소 연료 전지는 완전히 재생 가능한 에너지원에서 수소 생산이 가능하기 때문에 위험한 생태계 침범을 피합니다. 이 가스의 누출도 즉시 증발하기 때문에 무해합니다.

연료 전지는 작동을 위해 어떤 연료 수소를 얻는지는 중요하지 않습니다. kWh / l 단위의 에너지 밀도는 동일하며이 지표는 연료 전지 생성 기술의 향상과 함께 지속적으로 증가하고 있습니다.

수소 자체는 천연 가스, 석탄, 바이오매스 또는 전기 분해(풍력, 태양 에너지 등) 등 편리한 지역 공급원에서 얻을 수 있습니다. 지역 전기 공급업체에 대한 의존도가 사라지고 시스템은 일반적으로 전기 네트워크와 독립적입니다.

셀의 작동 온도는 매우 낮고 요소 유형에 따라 80에서 1000 ° C까지 다양하지만 기존의 현대식 내연 기관의 온도는 2300 ° C에 이릅니다.연료 전지는 콤팩트하고 발전 중에 최소한의 소음을 방출하며 유해 물질을 배출하지 않으므로 작동하는 시스템의 편리한 위치에 배치할 수 있습니다.

원칙적으로 전기뿐만 아니라 화학 반응 중에 방출되는 열도 물 가열, 공간 난방 또는 냉각과 같은 유용한 목적으로 사용될 수 있습니다. 90%.

셀은 부하 변화에 민감하므로 전력 소비가 증가할수록 더 많은 연료를 공급해야 합니다. 이것은 가솔린 엔진이나 내연 발전기가 작동하는 방식과 유사합니다. 기술적으로 연료 전지는 움직이는 부품이 없기 때문에 매우 간단하게 구현되며 설계가 간단하고 신뢰할 수 있으며 기본적으로 고장 확률이 매우 적습니다.

양성자 교환막이 있는 수소-산소 연료 전지(예: "고분자 전해질 포함")에는 양극과 음극의 두 전극을 분리하는 고분자(나피온, 폴리벤즈이미다졸 등)에서 양성자를 전도하는 막이 포함되어 있습니다. 각 전극은 일반적으로 백금 또는 백금과 기타 화합물의 합금과 같은 지지 촉매가 있는 탄소판(매트릭스)입니다.

애노드 촉매에서 분자 수소는 해리되어 전자를 잃습니다. 수소 양이온은 막을 가로질러 음극으로 수송되지만, 막은 전자가 통과하는 것을 허용하지 않기 때문에 전자는 외부 회로에 기증됩니다. 음극 촉매에서 산소 분자는 전자(외부 통신에 의해 공급됨) 및 들어오는 양성자와 결합하여 반응의 유일한 생성물인 물을 형성합니다(증기 및/또는 액체 형태).

예, 오늘날 전기 자동차는 리튬 배터리로 작동합니다. 그러나 수소연료전지는 이를 대체할 수 있다. 배터리 대신 전원이 훨씬 적은 무게를 지탱할 것입니다. 또한 배터리 셀 추가로 인한 무게 증가로 인해 차량의 출력이 전혀 증가하지 않고 실린더에있는 동안 시스템에 연료 공급을 조정하기 만하면됩니다. 따라서 자동차 제조업체는 수소 연료 전지에 대한 기대가 높습니다.

10년 이상 전 세계 여러 국가, 특히 미국과 유럽에서 수소 자동차 제작 작업이 시작되었습니다. 차량에 장착된 특수 필터링 압축기 장치를 사용하여 대기에서 직접 산소를 추출할 수 있습니다. 압축된 수소는 약 400atm의 압력으로 튼튼한 실린더에 저장됩니다. 급유는 몇 분 정도 걸립니다.

환경 친화적인 도시 교통의 개념은 2000년대 중반부터 유럽에서 적용되었습니다: 이러한 여객 버스는 오랫동안 암스테르담, 함부르크, 바르셀로나 및 런던에서 발견되었습니다.대도시에서는 유해한 배출물이 없고 소음이 감소하는 것이 매우 중요합니다. 2018년 독일에서 최초의 수소 동력 철도 여객 열차인 Coradia iLint가 출시되었습니다. 2021년까지 14대의 이러한 열차가 추가로 출시될 예정입니다.

향후 40년 동안 자동차의 주요 에너지원인 수소로의 전환은 세계의 에너지와 경제에 혁명을 일으킬 수 있습니다. 석유와 가스가 적어도 향후 10년 동안은 주요 연료 시장으로 남을 것이 이제 분명해졌습니다.그럼에도 불구하고 일부 국가에서는 많은 기술 및 경제적 장벽을 극복해야 한다는 사실에도 불구하고 이미 수소 연료 전지를 탑재한 차량 개발에 투자하고 있습니다.

수소는 폭발성 기체이기 때문에 안전한 주유소와 수소 인프라를 만드는 것이 주요 과제입니다. 어느 쪽이든 수소를 사용하면 차량 연료 및 유지 보수 비용을 크게 줄이고 안정성을 높일 수 있습니다.

Bloomberg의 예측에 따르면 2040년까지 자동차는 전기 수요의 8%인 현재 하루 1,300만 배럴 대신 1,900테라와트시를 소비할 것이며, 오늘날 세계에서 생산되는 석유의 70%는 운송 연료 생산에 사용됩니다. . 물론 이 시점에서 배터리 전기 자동차 시장의 전망은 수소 연료 전지의 경우보다 훨씬 더 뚜렷하고 인상적입니다.

2017년 전기차 시장은 174억 달러, 수소차 시장은 20억 달러에 불과했다. 이러한 차이에도 불구하고 투자자들은 계속해서 수소 에너지에 관심을 갖고 있으며 새로운 개발에 자금을 조달하고 있습니다.

이에 2017년에는 아우디, BMW, 혼다, 토요타, 다임러, GM, 현대 등 39개 주요 자동차 제조사가 참여하는 수소위원회가 구성됐다. 그것의 목적은 새로운 수소 기술과 그에 따른 광범위한 보급을 연구하고 개발하는 것입니다.