[에너지칼럼] 수소연료전지에 대하여

환경오염 문제, 천연자원 고갈의 가속화 문제로 전 세계에 적신호등이 켜졌습니다. 이에 신재생 에너지가 주목받고 있는 요즘, 천연자원의 좋은 대안 중 하나로 꼽히고 있는 것이 수소 연료 전지입니다.

필자는 현재 고3으로, 고1 통합과학 시간에도 수소연료전지에 대해 배운 적이 있는데, 이번 기회에 수소 연료 전지에 대해 더 깊게 알아보고, 정보를 전달하는 글을 쓰고자 키보드에 손을 올리게 되었습니다.

수소연료전지는 20세기, 영국의 William R. Grove이 황산에 백금전극을 담그고 수소, 산소를 공급하는 방식으로 연료전지(Fuel Cell)를 개발한 것에서 시작하여, 지금까지도 활발히 연구되고 있는 전지로 신에너지 중의 하나입니다. 많은 에너지가 열기관의 동력을 이용하는 과정을 동반하지만, 연료전지는 화학에너지를 바로 전기에너지로 변환하여 에너지를 얻습니다.

연료전지의 종류로는 알칼리형, 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형, 고분자전해질형, 직접메탄올전지 등이 있습니다. 두루 연구가 진행되고 있지만, 현재로선 고분자전해질형, 직접메탄올전지가 가장 활발하게 연구되고 있습니다.

앞서 수소연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환한다고 언급했는데, 자세한 원리를 한번 알아보도록 하겠습니다.

연료전지의 음극에서는 수소가 수소이온과 전자로 분리되는 반응이 일어나고, 이후 전자는 도선을 통해서, 수소이온은 전해질을 통해서 이동합니다. 그 뒤 양극에서 공급된 산소와 수소이온, 전자가 결합하여 물을 생성합니다. 이 과정에서 전류와 열이 발생하게 됩니다.

이러한 연료전지는 개질장치(화석연료를 수소연료로 변환합니다), 스택(본체로, 위 그림이 스택을 표현한 것입니다), 전력변환기(발생하는 전류를 직류에서 교류로 변환합니다), 폐열회수장치(폐열을 회수하여 온수를 공급합니다) 등으로 구성되어 있습니다.

연료전지는 신재생에너지를 통틀어 발전효율이 높은 편이고, 모듈화가 쉬워 입지가 용이합니다. 공해문제, 소음문제도 해결할 수 있고 발전과정에서 발생하는 열은 회수해서 사용할 수 있는 것 등 많은 장점을 가지고 있습니다.

허나 단점도 있죠. 수소가 부피대비 저장밀도가 낮아 저장/운송 과정에서 비용이 상당히 많이 듭니다(이는 현재 LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier)라는 기술로 보완하려는 노력이 이어지고 있습니다. 수소를 반응시켜 액체 LH2 유기화합물로 만들어 운송한 다음 원할 때 추출하는 기술입니다.). 또한 반응을 시킬 때 필요한 촉매의 가격이 비싸 수소전지는 가격적인 측면에서 부담이 많이 되는 에너지원이기도 합니다.

또, 아직 화석연료에 비하면 효율이 좋지 않지만, 단점을 보완하려는 노력이 계속되고 있고 현대, 도요타, 혼다 등에서는 수소연료전기차를 개발하기도 하였습니다. 이를 통해 기존 전기차의 짧은 주행시간이라는 단점을 많이 보완하였죠.

다만 목표치, 예상치에 비해서 현저히 낮은 보급률을 보이는 분야도 일부 있습니다. 그래도 현재 신에너지 중에서는 높은 효율이라는 강점을 가지고 있고 많은 투자가 이루어지고 있기 때문에 앞으로의 행보를 주목해볼 만하다고 생각합니다.

앞부분에서 연료전지의 종류는 언급하되 각 유형별 특징은 자세한 서술을 생략하였습니다. 이에 대한 자세한 내용은 한국에너지공단 사이트(https://www.knrec.or.kr/energy/fuelcell_summary.aspx)에 정리되어 있으니, 참고하시면 좋겠습니다.

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-한가람고 자율동아리 ‘에너지 칼럼 작성부’

참고자료

https://www.knrec.or.kr/energy/fuelcell_intro.aspx

https://www.cheric.org/research/tech/periodicals/view.php?seq=441321

https://www.doosanfuelcell.com/kr/tech/tech-0101/

http://www.energycenter.co.kr/news/articleView.html?idxno=1124