미래사회의 새로운 에너지원 - ‘연료전지’
미래사회의 새로운 에너지원 - ‘연료전지’
  • 유형우기자
  • 승인 2006.11.22 00:00
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높은 에너지 효율과 환경친화성
19세기 산업화가 시작된 이래 화석연료의 사용량은 날이 갈수록 증가하고 있다. 하지만 모든 지하자원의 매장량에는 한계가 있으며, 오래전부터 석유겮?틒천연가스의 생산량은 줄어들고 있다. 또한 화석연료의 연소에 의한 대기오염 및 지구 온난화도 심각해지고 있는 실정이다. 연료 전지는 자원의 고갈로 인한 에너지 위기에 대처하고, 화석 연료의 사용에 의한 환경 오염을 최소화할 수 있는 새로운 에너지원으로 떠오르고 있다.
연료전지의 원리는 이미 1839년에 물이 전기분해되는 현상의 역반응이 가능함을 알게 되면서 최초로 알려졌다. 이후 미국 NASA에 의해 연료전지는 우주 개척을 위한 새로운 동력자원으로 개발되기 시작했으며, 지금은 고효율과 공해가 없는 차세대 에너지원으로 주목받고 있다
연료전지의 가장 큰 장점은 높은 에너지 변환 효율과 환경 친화성을 들 수 있다. 화학적 반응에 의해 전기를 발생시킨다는 점에서 배터리와 비슷하지만 연료전지는 반응 물질인 수소와 산소를 외부로부터 공급받으므로 배터리와는 달리 충전이 필요없고, 연료가 공급되는 한 전기를 발생시킨다. 또한 여러 에너지 변환 단계를 거치지 않으므로 기존 발전 방식에 비해 효율이 높다.

순수 수소는 연료전지의 원료로 가장 이상적이다. 하지만 수소는 대부분 안정한 탄화수소 화합물이나 물로 존재하고 있으므로 수소 제조 기술에 대한 개발이 선행되어야 한다. 수소 제조 기술은 중단기적으로 현실적인 적용이 용이한 화석연료의 개질기술과, 궁극적으로 재생 가능한 에너지원인 태양에너지로부터 물의 전기분해 혹은 광화학 반응을 통한 기술의 두 가지로 구분할 수 있다.
비 화석 에너지로부터 수소의 제조기술로 지금까지 실용화된 기술은 물의 전기분해이며, 전기분해 기술도 여러 가지로 나뉘어 진다. 그중 가장 대표적인 기술은 알칼리 전기분해 기술이다. 현재 상업적으로 개발되어 주로 사용되고 있는 방법은 80도 정도의 알칼리 수용액을 전해질로 니켈과 철 전극을 사용하여 상압에서 물을 전기분해하는 것이다.

연료전지의 종류로는 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 인산 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC) 등 다양하지만, 고분자전해질 연료전지가 출력밀도·상온작동성·내충격성·수명 등에 있어 다른 연료전지에 비해 우수하기 때문에 현재 가장 많은 주목을 받고 있다. 고분자전해질 연료전지는 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다. 특히 전해질로 고분자막을 사용하므로 부식 및 전해질 조절이 필요없고, 기존의 확립된 기술인 메탄올 개질기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화에도 덜 민감하다. 또한 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 고분자전해질 연료전지는 무공해자동차의 동력원 이외에도 현지설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다.

우리나라 역시 연료전지에 대한 연구가 진행 중에 있다. 현재 국내의 기술 수준은 전반적으로 기초연구 단계이나 연료전지 본체를 포함한 연료개질, 전력 변환 장치 등의 소규모 시제품 개발을 목표로 추진 중이다. 최근 10kW급 인산형 발전시스템과 5kW급 고체고분자 발전시스템이 개발되었으므로, 이러한 발전추세로 보아 단기간 내에 현재의 선진 기술 수준에 근접할 수 있을 것으로 전망된다.

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