#배터리가 없으면 어떻게 하나~
“버스가 언제 오지? 아 스마트폰 어플로 보면 되겠구나! 아 이제 곧 오겠군. 노래 들으면서 기다려야지. 아 맞다 새로 나온 영화예매도 해야 하는데, 스마트폰으로 해야 겠다. 메일 체크도 해야하는데…., 아 정신 없네 버스 타고 나서 해야지.”
익숙한 이야기죠? 스마트폰이 생활 속으로 들어오고 난 뒤로 우리는 엄청난 편리함을 누리고 있습니다. 업무, 여가생활, 인터넷 검색, 쇼핑 등 기존의 컴퓨터로만 할 수 있었던 것들을 이 손바닥만한 기계로 할 수 있게 되었어요. 그런데 이렇게 편리함을 누리다 보면 한가지 생기는 문제! 바로 배터리가 없다는 거예요. 왜이리 핸드폰 배터리 용량이 작은 건지 매 번 아쉬울 뿐입니다.
그래서 사람들은 용량이 더 크면서도 들고 다니기 편하도록 작고 가벼운 배터리를 찾는데요, 이런 배터리 찾기 쉽지만은 않죠. 그래도 한가지 희망이 있다면 이 모든 것을 충족할 차세대 전기 공급원이 있다는 것인데요, 바로 연료전지랍니다.
연료전지가 기존의 배터리를 대체할 수단으로 각광을 받는 것은 위에서 말한 세가지 뿐만 아니라 환경에 해가 되지 않는 친환경 에너지이기 때문입니다. 수소를 원료로 삼을 경우 이산화탄소와 같이 환경의 해가 되는 물질이 전혀 배출되지 않으며 그 효율도 기존의 다른 장치에 비해 높아서 연료 사용량이 적어서 친환경적인 기술로 보고 있습니다. 그러면 오늘은 푸르른 5월을 계속 유지시켜 줄 것 같은 연료전지에 대해 알아보도록 할까요?
#난 배터리가 아니야!
엄밀히 말하면 연료전지와 배터리는 같지 않답니다. 둘 다 전기를 공급하는 장치라는 점에서 공통점이 있지만 연료전지는 발전기처럼 전기를 공급하는 장치이지만 배터리는 창고와 같이 전기를 저장하는 장치라는 차이점이 있어요.
배터리는 기본적으로 금속의 산화 환원을 이용합니다. 금속이 다른 물질에게 전자를 잘 주는 정도를 반응성이라고 하는데요, 이때 전자를 주는 금속은 산화되었다고 하고, 전자를 받는 물질은 환원되었다고 한답니다.
창고에 물건이 들어가는 문과 물건이 나가는 문이 있듯이 배터리에도 전자가 들어가는 문과 나가는 문이 있어요. 전자가 들어가는 문을 양극이라고 하는데요, 이곳에서 반응성이 낮은 금속이 있어서 전자를 받는 환원 반응이 일어납니다. 반면에 음극에는 산화가 일어나기 쉬운 반응성이 큰 금속이 있어서 전자들이 나오게 되는데요 따라서 일종의 나가는 문이라고 생각할 수 있겠죠.
이 두 극이 전선으로 연결이 되어 있지 않으면 배터리에는 아무런 일도 일어나지 않습니다. 그러나 만약 이 두 극을 전선으로 연결시키면 배터리의 한쪽은 전자를 내놓고 반대쪽은 전자를 받게되면서 전선을 따라서 전자가 흐르게 됩니다. 이것이 바로 전기가 흐르는 원리 인데요. 마치 창고 개방 행사로 물건들이 외부로 나가고 다시 창고를 채우기 위해서 물건을 채우는 것과 비슷한 원리이죠.
#연료만 있으면 전기로
그렇다면 연료전지는 어떻게 전기를 만들어 낼까요?
이름에서 알 수 있듯이 연료전지로 전기를 만들어 내기 위해서는 연료가 기본적으로 필요합니다. 원자력 발전소에서는 우라늄이라는 물질이 있어야 전기를 만들고 석탄, 석유 발전소에서는 석탄이나 석유가 필요하듯이 말이죠. 연료전지에 쓰이는 연료는 기본적으로 메탄올과 수소를 사용하고 있습니다.
연료가 들어오게 되면 연료전지의 음극에는 아주 특별한 물질이 들어 있어서 수소나 메탄올을 산화시켜주는 촉매 역할을 합니다. 그래서 이곳에서는 수소이온과 전자가 생긴답니다. 전자는 외부로 연결되어 있는 전선을 따라 흐르고 수소이온은 전해질이라고 하는 물질을 통과해서 양극으로 간답니다. 이곳에서 외부에서 들어온 산소와 음극에서 생긴 수소이온이 환원되면서 물을 만들어내는 과정을 거친답니다.
이러한 과정을 거치며 전기를 열심히 생산하는 연료전지는의 효율은 상당히 높은편 입니다. 다른 발전설비들은 우라늄과 석탄, 석유를 통해 열을 얻고 이 열을 이용해서 가스터빈을 돌리는 방식이라서 각 과정 중에 손실이 있지만 연료전지는 직접 전기를 얻기 때문에 상당히 높은 효율을 갖게 됩니다. 또한 연료만 넣어주면 바로 전기를 생산할 수 있어서 배터리처럼 충전도 필요 없고 금속을 이용하는 배터리와 달리 가벼운 고분자를 사용할 수 있어 무게도 상당히 가벼운 장점이 있답니다.
#입맛대로 골라주세요
연료전지의 종류는 수십 가지인데요. 그렇지만 크게 나누면 고온형과 저온형으로 나눌 수 있답니다. 약 500~1000℃에서 작동되는 장치는 고온형으로 50~300℃에서 작동되는 경우는 저온형으로 보고 있습니다. 고온형에 경우 아주 높은 온도에서 작동되기 때문에 전기를 효율적으로 생산한다는 장점과, 또한 연료전지에 들어가는 촉매로 아주 싼 니켈을 사용하고 있다는 장점이 있어요.
그러나 필요한 장치가 많아서 제작되는 전지의 크기가 크다는 단점이 있습니다. 그래서 발전소나 대형건물에 적합한데요, 대표적인 예로는 고체산화물을 전해질로 사용하는 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)이나 용융탄산염을 사용하는 MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell)이 있습니다. 이중 MCFC는 현재 시판되고 있는데요, 전기 발전용, 산업용, 군수용으로 널리 보급되고 있답니다.
저온형은 고온형과 달리 높은 온도를 필요로 하지 않기 때문에 발전을 하기 위한 준비시간이 상대적으로 짧다는 점과 소형화가 가능하다는 장점이 있습니다. 그러나 현재 대체로 사용하는 촉매로 금보다 더 귀하다는 금속, ‘백금’을 사용할 경우가 많아 가격이 상당히 비싸다는 단점이 있습니다. 예로는 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell), AFC(Alkaline Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell), PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)등이 있답니다.
AFC는 특수 목적용으로 사용되고 있는데요, 우주선에서 전기 생산을 담당하면서 동시에 양극에서 나오는 물을 이용해서 식수로 사용하고 있답니다.
저온형 연료전지 중 DMFC와 PEMFC는 소형화가 가능해서 모바일 장비에 사용되기도 하는데요, 특히 DMFC는 핸드폰과 노트북 충전용 장치의 시제품이 개발되기도 하여 한때 이슈가 되기도 하였답니다. PEMFC는 가정용으로 시범 운용되고 있고 차후에는 차량용으로도 사용될 예정에 있습니다.
#내 안에 한화있다
이렇게 환경에도 좋고 효율도 높은 연료전지 분야에 한화케미칼이 빠질 수 없겠죠? 한화케미칼은 PEMFC에 연구를 집중하고 있답니다.
연료전지에는 음극과 양극을 이어주는 전해질이라는 물질이 들어가는데요, PEMFC는 이곳에 고분자 물질을 넣어서 만들고 있습니다. 이것을 영어로 Membrane electrode assembly, MEA라고 부르고 있는데요, 어떻게 구성하는가에 따라 연료전지의 성능을 좌우할 정도로 아주 중요한 부분이랍니다. 한화케미칼에서는 이러한 MEA에 대한 원천 소재와 기술을 개발하는 데에 주력하며 향후에는 조기시장 진입및 시장을 선점하기 위해 노력하고 있답니다.
지금까지 연료전지에 대해서 알아 보았는데요, 가볍고도 작은 친환경 연료전지가 빨리 상용화되어 더욱 편리한 삶을 누릴 수 있었으면 좋겠어요!
참고문헌: 고분자 전해질 연료전지 기술개발 동향, 한국과학기술연구원 연료전지연구센터, 조은애
연료전지 시장 동향 및 전망, 한국기업평가, 유준위, 김경훈
연료전지, 한국에너지자원기술기획평가원
