연료전지

 이번에는 미래 자동차 중에서 가장 친환경 자동차로써 그 기대가 큰 수소전기차의 연료전지에 대해 알아보고자 한다.

 

1.수소연료전지?

 수소를 이용해 전기에너지를 생성하는 발전 장치를 말한다. 일반 화학전지와 달리 공해물질을 내뿜지 않기 때문에 친환경 에너지에 속하며, 소음이 없다는 장점이 있다. 연료전지라고도 불리는데 말 그대로 연료(수소)를 사용하여 전기를 만들어내는 장치로 3차 전지라고 불리기도 한다. 연료나 재질에 따라 PEMFC, SOFC, MCFC 등으로 나뉜다.

 

2. PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 고분자 전해질 연료전지)

 고분자 전해질 연료전지는 고분자로 이루어진 전해질 막을 이용하는 연료전지이다. 구조는 촉매가 포함된 전극과 전해질막으로 이루어져있다. 수소가 공급되었을 때 수소가 수소 이온과 전자로 분리되면 수소 이온은 전해질 막을 통해 서 반대 전극으로 이동하고 전자는 막이 아닌 도선을 따라 이동하면서 전류가 발생한다. 위의 사진에서 Anode와 Cathode라고 불리는 부분이 있는데 Anode는 전자를 방출하거나 산화반응이 이루어지는 곳을 말하고 Cathode는 전자를 얻거나 환원반응이 이루어지는 곳을 말한다. 따라서, 연료인 수소가 공급되는 곳은 항상 Anode라고 불리고 산소가 공급되는 부분은 항상 Cathode가 된다. PEMFC 방식의 장점은 간단한 구조와 제작 방식으로 부식 문제가 거의 없어 40,000시간 이상의 긴 시간동안 무리 없이 작동되고 저온에서 반응이 일어난다는 특징으로 활용 범위가 넓다. 현재 수소전기차용 연료전지로 가장 많이 활용되고 있는 연료전지이다.

 고분자 전해질 막에는 몇 가지 조건이 필요한데 선택적 투과 능력이 가장 중요하다. 수소 이온은 전해질로 통과시키고 이 막으로 전자는 통과되지 못해 도선으로 흘러야 하기 때문이다. 따라서 전해질 막의 높은 수소 이온 투과능력과 전자 절연 능력이 매우 중요하다. 또, 이 막을 사이에 두고 각각 반쪽반응이 일어나게 되는데 이 반쪽반응이 독립적으로 일어나는 것이 중요하기 때문에 이 막에 대한 수소와 산소의 투과율이 낮아야 양쪽 전극에서 일어나는 반응을 완벽히 분리할 수 있다. 여기서 반쪽반응은 쉽게 말하면 산화 환원 반응 중 하나만 일어나는 반응을 말한다.

 

3. PEMFC의 단점과 개선 방향

 연료전지의 능률을 좌우하는 두 가지 물질이 전극을 코팅하는 촉매와 선택적 투과성을 가진 전해질이다. 그러나 이 물질의 가격이 비싸서 상용화에 어려움이 있다. 그래서 촉매와 전해질로 쓰일 높은 효율을 가지고 있고 보급화 될 수 있는 물질을 찾는 것이 중요하다. 또, 발전 비용이 비싸 금전적 효율이 낮고 물의 함량 조절도 중요한 부분이다. 이러한 부분들이 개선된다면 미래의 전기 생산자로 막중한 역할을 할 수 있을 것이다.

 

4. SOFC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체 산화물 연료전지)

 산소 또는 수소를 투과시킬 수 있는 고체 전해질을 사용하는 연료전지이다. 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700°C~1000°C)에서 작동한다. 모든 구성 요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않고 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 작동 온도가 700°C가 넘는 다는 점에서 수소전기차의 연료전지로 활용될 가능성은 매우 낮아 보인다.

 

5. MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell, 용융탄산염 연료전지)

 통상 2세대 연료전지로 불리는 용융탄산염 연료전지는 다른 형태의 연료전지와 마찬가지로 열효율과 환경친화성이 높고 모듈화가 특성되었으며 설치공간이 작다는 장점을 갖는다. 또, 650°C의 고온에서 운전되기 때문에 PEMFC 또는 PAFC와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 장점을 가지고 있다. 고온에서 빠른 전기화학반응은 전극 재료에 쓰이는 촉매로써 백금 대신 저렴한 니켈의 사용을 가능하게 하며 경제적인 생산이 가능하다. 그리고 백금 촉매를 사용할 경우 백금 성분에 독성 물질로 작용하는 일산화탄소마저 니켈 전극을 이용함으로써 수성가스 전환반응을 통해 연료로 이용할 수 있게 한다. 하지만 이 또한 높은 작동온도를 필요조건으로 함으로 자동차용 연료 전지로 활용하기는 힘들다.

 

6. 수소전기차의 특징

 석유, 석탄, 천연가스 등 자원에 대한 고갈 우려와 환경 오염으로 인해 지속 가능한 친환경 에너지 자원에 대한 연구가 전세계적으로 활발히 이루어지고 있다. 이러한 관점에서 본다면 수소는 친환경 에너지임과 동시에 고효율 에너지로써 미래 기술력의 원동력을 공급할 수 있는 최적의 연료인 셈이다. 전기차와 비교했을 때 수소전기차 내의 고성능 에어필터로 인해 공기청정 효과까지 볼 수 있다는 점에서 앞으로 더 주목받는 친환경 자동차가 될 것이다.

 현재 전기자동차의 문제점으로 꼽히는 것 중 하나가 최대 주행거리에 있다. 500km라고 제원에 표시되어 있지만 실제로 주행을 하다 보면 500km만큼 가지 못하고 배터리의 80%이상을 소모하게 되면 주변의 전기충전소를 찾아봐야 할 정도로 아직까지는 불편한 점이다. 하지만 수소전기차는 수소라는 고효율 에너지원을 사용함으로써 3~5분의 짧은 충전시간에도 500km이상을 주행할 수 있다는 점에서 전기자동차와 비교된다. 하지만 비싼 연료전지와 연료전지의 내구성을 위해 온도 유지, 진공 센서, 외부 충격에 버틸 수 있는 설계 등 고려해야 할 부분이 많으며 여기에 들어가는 비용이 만만치 않다는 단점이 있다.

 앞으로 수소전기차가 상용화 되려면 수소 충전 인프라뿐만 아니라 가격적인 측면에서도 보완점이 필요해 보인다는 생각이 든다.

 이번에는 미래 자동차 중에서 가장 친환경 자동차로써 그 기대가 큰 수소전기차의 연료전지에 대해 알아보고자 한다.