Diagram of a PEM fuel cell from Wikipedia
서론
이젠 우리에게 너무나도 익숙한 화석연료와 환경오염 및 지구 온난화 이야기로 시작합니다. 한계는 대체 에너지원 개발을 위해 다양한 방법이 시도되어 왔으나, 원자력, 태양광, 수력 발전 등 여러 대안들이 안전과 효율, 환경을 모두 만족시키기 어렵다는 것이었습니다. 결론적으로 연료전지는 우리가 원하는 전기 에너지를 만드는 과정에서 오로지 환경에 무해한 순수한 물만을 배출하기 때문에, 친환경적인 차세대 대체 에너지원로서 각광을 받고 있습니다.
연료전지란?
연료전지는 기본적으로 전기화학적 반응이며, 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 원리입니다. 수소연료와 산화제(산소) 간의 화학적 반응을 통해 전기를 생산하고, 수소와 산소의 결합으로 생산된 물이 배출되는 원리입니다.
다른 대체에너지원과 비교했을 때, 큰 발전소를 필요로 하지 않아 공간 효율이 좋고, 소음이 나지 않으며, 무엇보다 친환경적이라는 것이 큰 장점입니다. 에너지 효율 또한 40-60%로 상당히 높은 에너지 전환율을 얻을 수 있습니다. 화석발전도 생산효율은 40-50% 정도이지만, 발전소 운영 에너지, 보일러 등에서의 열손실이 더해지면 송전단열효율은 37-41% 정도로 떨어집니다.
고분자 전해질 연료전지 (PEMFC) 란?
최근 가장 빠른 속도로 발전하고 있는 연료전지의 한 종류입니다.
고분자로 이루어진 전해질 막을 사용하며 촉매가 포함된 전극을 연결하여 연료전지를 구성하기에 구조와 제작 방법이 매우 간단합니다. 연료(수소)가 공급되면, Anode(양극)에서 수소이온과 전자로 분리된 후 수소이온은 전해질막을 통해 반대 전극으로 전달되며, 전자는 도선으로 이동하며 전류를 일으키는 방식입니다.
다른 연료전지와 비교했을 때, 높은 출력 밀도는 가졌고, 고체 전해질을 사용하며, Operating Temperature(작동온도)가 50-100 도로 상대적으로 낮아 그 활용도가 높고, 에너지 효율은 좋으면서도 부식문제가 없어 평균 40,000시간 이상의 긴 수명을 가지는 것이 장점입니다.
이러한 장점으로 전기차의 대체 발전원으로서 수소연료를 사용한 자동차 PEMFC 추진 시스템도 개발되고 있습니다.
고분자 전해질막(PEM)의 조건
전해질막을 선택할 때 가장 중요한 것은 원하는 원자만을 투과시키는 선택적 투과 능력입니다. 위에서 설명했듯, 전해질막은 분리된 수소이온만을 전달시키면서도, 전자는 도선을 따라 흐를 수 있도록 전자 절연 능력을 갖추고 있어야 합니다. 즉, 높은 수소이온 투과능력 + 전자를 절연할 수 있는 능력이 높은 전해질막을 사용해야 합니다. 이렇게 전해질막에 의해 분리된 양 전극에서는 독립적으로 반쪽반응이 일어날 수 있으며, 추가적으로, 산소의 투과율도 역시 낮아야 전체 분리반응이 완벽하게 작동할 수 있습니다.
고분자 전해질막으로 사용되는 대표적인 물질로는 Flemion, Aciplex-S, Nafion-115 등이 있으며, 얇은 막 형태로 사용할 수 있도록 물리, 화학적으로 안정된 구조를 갖는 것이 특징입니다. 또한, 산성을 띄는 특성에 따라 전도도를 높일 수 있는 물을 많이 포함시킬 수 있다는 장점이 있습니다. 물은 그로투스 메커니즘(Grotthuss Mechanism)에 따라 빠른 양성자 전달 능력이 있기 때문에, 산성 전해질막에 따른 물의 증가는 연료전지 효율에 긍정적인 영향을 준다고 생각할 수 있습니다.
고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 단점 및 개선 변수
연료전지 효율은 앞서 설명한 대로 선택적 투과성을 가지는 전해질막의 전도도와 전극을 코팅하고 있는 촉매에 의해 결정됩니다. 가장 큰 단점은 아직까지 비싼 물질들이라는 것입니다. 상용화를 위해 보급이 가능한 물질을 찾는 것이 상당히 중요한 연구과제입니다. 또한, 물의 함량 조절이 또한 중요한 변수가 될 수 있습니다. 물이 너무 많아 Flooding(침수)가 될 수 있으며, 기체의 반응을 아예 막아 버리기도 합니다. 반대로 물이 너무 적으면, 수소이온의 전도도가 낮아지기 때문에 전해질의 수분함량 또한 중요한 변수가 될 수 있습니다. 이를 위해서, 다양한 실험이 이루어지고 있으며, 발생하는 반응열과 필요한 가습량을 계산하거나, 냉각수 유량에 따른 효율적인 시스템을 설계하기 위해 적절한 냉각수량을 계산하기도 합니다.
이러한 몇 가지의 단점을 극복할 수 있다면, 화석연료의 대체제로서 다음세대까지 지속가능한 중요한 전기 생산자의 역할을 고분자 전해질 연료전지가 할 수 있을 것입니다.
인류는 산업화를 통해 이룬 풍요로 삶을 영위해 왔습니다. 하지만 이로 인해 발생하는 기후위기를 비롯한 다양한 환경문제가 나날이 심각해지고 있습니다. 하지만 최근, 전 세계적인 합의를 통해 이뤄낸 오존층 복구 뉴스를 보며 희망을 보기도 합니다. 과학기술에 근거한 방향을 설정하고 인류가 합의한 공통의 과제를 수행한다면 지금 현재를 살고 있는 우리들이 좀 더 나은 환경을 다음 세대에게 전달할 수 있을 것이라고 생각합니다.
댓글