수소연료 전지자동차에 대한 설명
소개
수소연료 전지자동차를 소개하자면 개인 운송은 대부분의 사람들에게 매우 중요한 주제입니다. 그것은 개인의 자유의 중요한 부분이며 대부분의 선진국 문화에 깊이 뿌리 박혀 있습니다. 현재 대부분의 자동차는 디젤 연료 또는 가솔린으로 작동하는 내연 기관(ICE)으로 구동됩니다. 이 두 연료는 모두 탄화수소이며 원유를 정제하여 생산되었습니다.
가솔린과 디젤이 그렇게 널리 사용되는 데에는 그만한 이유가 있습니다.
첫째, 에너지 밀도가 매우 높습니다. 실제로 가솔린과 디젤의 단위 부피당 에너지 밀도는 현재 사용 가능한 다른 화학 연료의 에너지 밀도보다 높습니다.
둘째, 표준 온도와 압력에서 액체이므로 보관, 운송 및 유통이 용이합니다.
셋째, 현재 원유에서 비교적 저렴하게 생산할 수 있습니다.
불행히도 현재 이러한 연료를 사용하는 데는 몇 가지 근본적인 문제가 있습니다. 우리 행성의 석유 매장량은 유한하며 대부분의 과학자들은 매장량이 향후 2세기 내에 언젠가는 고갈될 것이라는 데 동의합니다. 더욱이, 가솔린 및 디젤과 같은 화석 연료의 연소는 온실 효과와 그에 따른 기후 변화의 주요 원인 중 하나인 CO2를 생성합니다. 분명히 환경을 위한 것이든 단순히 매장량이 없어졌든 우리는 다음 세기 또는 수십 년 안에 화석 연료에서 대체 연료로 전환해야 합니다.
분명히 수소 연료 전지 기술은 개별 운송에 전력을 공급할 미래의 유망한 후보입니다.
수소 인프라
수소는 전기분해를 사용하여 물에서 쉽게 생성할 수 있습니다. 이상적으로는 이 프로세스에 사용되는 전기가 미래에 재생 가능한 에너지원에서 나올 것입니다.
그렇게 가정하면 수소 연료 주기는 본질적으로 깨끗하고 배기 가스가 없습니다.
수소는 매우 가볍고 휘발성이 강한 물질이기 때문에 효율적인 저장은 현재 자동차의 미래 수소 연료 전지 기술에 있어 가장 큰 과제 중 하나입니다. 순수한 수소에 대해 합리적으로 높은 밀도에 도달하려면 고압 또는 액체 형태로 저장해야 합니다.
이것은 문제의 탱크가 수백 기압을 견뎌야 함을 의미합니다. 어떤 경우에도 자동차를 고려할 때 상당한 엔지니어링 문제를 제기하는 정교한 극저온 시스템이 장착되어 있어야 합니다.
수소를 저장하는 더 진보된 기술도 존재합니다. 예를 들어 금속 수소화물 저장에서 수소는 일부 캐리어 물질의 금속 격자 내에 유지되어 단일 수소 분자를 더 조밀하게 패킹합니다. 현재 연구는 동일한 기본 아이디어를 사용하지만 금속 대신 탄소 나노튜브를 사용합니다.
수소연료 전지자동차는 오늘날 가솔린과 디젤이 유통되는 방식과 유사하게 분배될 것입니다. 자동차 소유자는 자신의 차에 노즐을 연결하여 주유소에 해당하는 수소에서 연료를 보급합니다.
현재 존재하는 인프라를 얼마나 재사용할 수 있는지, 또 얼마나 새로 건설해야 하는지에 대해서는 여전히 의문의 여지가 있습니다. 따라서 단일 수소 분자를 더 조밀하게 패킹합니다.
현재 연구는 동일한 기본 아이디어를 사용하지만 금속 대신 탄소 나노튜브를 사용합니다. 수소는 오늘날 가솔린과 디젤이 유통되는 방식과 유사하게 분배될 것입니다.
자동차 소유자는 자신의 차에 노즐을 연결하여 주유소와 동일한 수준의 수소에 연료를 공급합니다. 현재 존재하는 기반 시설을 얼마나 재사용할 수 있는지, 또 얼마나 새로 건설해야 하는지에 대해서는 여전히 의문의 여지가 있습니다. 따라서 단일 수소 분자를 더 조밀하게 패킹합니다.
현재 연구는 동일한 기본 아이디어를 사용하지만 금속 대신 탄소 나노튜브를 사용합니다. 수소는 오늘날 가솔린과 디젤이 유통되는 방식과 유사하게 분배될 것입니다. 자동차 소유자는 자신의 차에 노즐을 연결하여 주유소에 해당하는 수소에서 연료를 보급합니다. 현재 존재하는 기반 시설을 얼마나 재사용할 수 있는지, 또 얼마나 새로 건설해야 하는지에 대해서는 여전히 의문의 여지가 있습니다.
수소 연료 전지에 대한 설명
ICE와 연료전지를 구동하는 기본적인 화학반응은 같다. ICE에서 연료의 연소는 열 기관을 구동하는 데 사용됩니다. 열역학 법칙에 따라 이러한 열 기관은 불가피한 손실을 가지며 특정 한계 이하에서만 효율성에 도달할 수 있습니다. 실제로 가솔린 엔진은 약 20-25%의 효율에 도달하는 반면 디젤 엔진은 약 40-45%로 약간 더 높습니다.
연료 전지에서 화학 반응의 전자 전달은 유용한 전기 작업이 수행되는 외부 회로를 직접 구동하는 데 사용됩니다. 이 과정은 가역적으로 유지되어 내연 기관이 나타내는 기본적인 열역학적 한계를 제거합니다. 따라서 연료 전지의 효율은 ICE의 효율보다 훨씬 높습니다. 연료 전지 효율은 최대 60%에 도달할 수 있습니다.
수소연료 전지자동차에서 연료는 분자 수소(H2 )이며, 이는 주변 공기의 산소 O2와 결합하여 물(H2O)을 생성합니다. 수소는 양자의 흐름은 허용하지만 전자의 흐름은 허용하지 않는 이른바 PEM(양성자 교환막)의 한쪽 면에 삽입됩니다. 촉매를 사용하여 수소와 산소 분자는 전극에서 단일 원자로 분해됩니다. 멤브레인 반대편의 산소 원자와 재결합하여 물 분자를 형성하기 위해 양성자는 전자에서 분리되어 멤브레인을 통해 이동하는 동안 전자는 유용한 작업을 수행하는 외부 회로를 통해 안내됩니다.
장점과 단점
현재 모든 기능과 편의성을 갖춘 화석 연료를 대체할 가능성이 있는 것으로 보이는 화석 연료에 대한 지속 가능한 대안은 거의 없습니다. 먼저 배터리로 구동되는 전기차(EV)가 있다. 전기차는 이미 상업적으로 이용 가능하며 이는 화석 연료에 대한 어느 정도 실행 가능한 대안임을 시사합니다. 반면에 몇 가지 큰 단점이 있습니다.
예를 들어, 배터리는 액체 연료에 비해 에너지 밀도가 매우 낮습니다. 현재 사용 가능한 EV의 배터리 팩 무게는 수백 킬로그램이지만 약 200마일의 범위만 제공합니다. 저장탱크의 무게를 고려하더라도 이러한 범위를 제공하는 데 필요한 수소의 양은 적습니다. 또한, 충전 시간은 현재 가스 또는 디젤 탱크의 연료 보급 시간보다 상당히 길다.
수소연료 전지자동차 외에도 바이오 연료는 가솔린 및 디젤의 또 다른 대안입니다. 화학적으로 바이오 연료는 석유로 만든 디젤 연료와 매우 유사합니다. 이는 에너지 밀도가 거의 동일하다는 것을 의미합니다. 배터리나 수소보다 높다. 반면에, 산소와 바이오 연료의 연소 반응은 원치 않는 CO2를 생성합니다.
이론적으로, 이 CO2 는 닫힌 주기에 있습니다. 연소에서 방출되는 CO2의 양 이 바이오연료가 만들어지는 바이오매스의 성장 동안 포집된 CO2의 양과 같아야 하기 때문입니다. 그러나 현재 생산 공정에는 많은 비효율이 수반되므로 순 CO2 배출. 더욱이, 전체 미국 자동차를 위한 충분한 바이오 연료를 생산하는 데 필요한 농경지의 양은 현재 미국 농지의 상당한 부분이며 경제가 바이오 연료 생산에 할애할 수 있는 토지의 양은 의심스럽습니다.
결론
수소연료 전지자동차는 현재 자동차 연료에 대한 유망한 대안입니다. 그들은 본질적으로 에너지 밀도와 액체 연료의 편리함을 전기 자동차의 깨끗하고 효율적인 작동과 결합합니다. 효율적인 온보드 저장과 같은 기술의 특정 측면은 여전히 약간의 개선이 필요하지만 수소가 오늘날 디젤이나 가솔린만큼 편리하고 매력적인 운송 연료가 될 수 없는 이유는 없습니다.
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