최근 들어 미래의 에너지문제와 공해문제를 해결할 수 있는 하나의 대안으로 연료전지가 손꼽히고 있다. 실제로 요즘 매스컴에 자주 등장하는 연료전지자동차는 미래의 무공해자동차로 주목받는 제품이다. 충전 없이 장시간 수명을 유지하는 휴대폰용 연료전지 배터리도 마찬가지. 과연 연료전지가 무엇이기에 미래의 신에너지로 각광받는 것일까.
① 연료극에서 수소가 수소이온과 전자로 분해되며, 수소이온은 전해질을 거쳐 공기극으로 이동한다.
② 전자는 외부 회로를 거쳐 전기를 발생시킨다.
③ 전해질을 거쳐온 수소이온과 외부 회로를 통해온 전자는 공기극에서 산소와 결합해 물이 된다.
연료전지는 공기극과 연료극의 전극, 두 극 사이에 위치하는 전해질로 구성돼 있다. 연료전지의 구성요소 중 전극은 전기화학반응을 진행시킬 수 있는 일종의 촉매 역할을 하고, 전해질은 생성된 이온을 상대극으로 전달시켜주는 매개체 역할을 한다. 연료극에는 수소, 공기극에는 공기(또는 산소)가 공급돼 각 전극에서 전기화학반응이 진행된다. 이렇게 구성된 연료전지 한쌍을 단전지(single cell)라 하며, 연료극과 공기극 간의 전압은 약 1V 내외가 된다. 이러한 단전지를 직렬로 연결하면 원하는 만큼의 전압을 얻을 수 있다.
몇해 전 톰 행크스가 주연해 인기를 끌었던 영화 ‘아폴로 13’을 기억하는가. 이 영화에서는 아폴로 13호 우주선의 연료전지용 산소탱크에 문제가 생겨 전원이 차단되는 바람에 달 착륙은 고사하고 우주미아가 될 뻔한 이야기를 실감나게 다루고 있다.
영화 밖 현실을 둘러보면 어떨까. 우주선이 작동하기 위해서는 그 추진력을 만족시키기 위한 방대한 양의 에너지가 필요하다. 제한된 공간에서 고효율의 에너지를 만들어내야 하며, 에너지 발생 단계와 그 과정에서 발생하는 오염물질은 최소화시켜야 한다.
우주비행사 음료수 제공
이런 까다로운 요구조건을 충족시켜줄 수 있는 해결책으로 등장한 것이 바로 연료전지다. 연료전지는 제미니, 아폴로 우주선에서 챌린저, 콜롬비아의 왕복우주선에 이르기까지 우주선용 전원으로 두루 사용됐다. 이뿐만이 아니다. 연료전지는 전기에너지를 만들어낼 때 물이 함께 발생하기 때문에 우주비행사들의 음용수 역할까지 톡톡히 해낼 수 있다. 이렇듯 꿈의 전지라 불리는 연료전지는 연료전지자동차의 개발에 대한 일반인들의 기대와 관심 때문에 최근 매스컴에 집중 부각되고 있다.
우주선용으로 사용돼 오던 연료전지는 고효율에다 무공해 발전장치라는 장점을 갖고 있다. 이런 이유로 일반 생활에서 뿐만 아니라 군사적인 목적으로도 활용 가능성이 무한하다. 따라서 우리나라를 비롯해 전세계적으로 선진국들은 미래의 신에너지원 기술을 선점하기 위해 범국가적 연구개발을 활발히 진행하고 있으며, 그런 노력에 힘입어 연료전지의 실체가 곧 우리 눈앞에서 현실화될 것으로 전망된다.
앞으로 우리는 출퇴근길에 연료전지발전소의 전력으로 움직이는 전철을 이용하게 될 것이며, 가정에 있는 가정용 연료전지에서 나오는 전력으로 생활할 것이다(이때 남는 전기는 전력회사에 판매한다). 자주 충전을 요하는 휴대폰 배터리는 한달 간 지속되는 연료전지 배터리로 바꾸면 된다. 또 우리의 영해는 연료전지 잠수함에 의해 수호된다. 상상만으로도 즐겁고 뿌듯하지 않은가.
물의 전기분해 원리를 역이용한다
연료전지의 원리를 따져보기 전에 전기의 발생원리부터 차근차근 생각해보자. 생활에 필요한 전기는 어떻게 얻어지는 것일까. 현재 대부분의 전기는 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 연소시켜 발전하는 화력발전 방식으로 얻어진다. 이러한 화력발전은 연료의 화학에너지가 열에너지에서 기계적 에너지로, 여기에서 다시 전기에너지로 변화하는 3단계의 과정을 거쳐 전기를 발생시키는 발전방식이다. 즉 연료의 화학에너지를 연소를 통해 스팀(열)으로 변화시키고, 이를 다시 기계적 터빈 회전력을 통해 전기에너지를 발생시키는 변환 과정이다.
하지만 연료전지는 중간과정 없이 화학에너지에서 바로 전기에너지로 직접 변환된다. 천연가스나 메탄올 등의 연료에서 얻어낸 수소와 공기 중의 산소를 반응시키면, 전기에너지를 직접 얻을 수 있다는 말이다. 이러한 원리는 물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생된다는 것을 역으로 이용한 것이다.
수소와 산소를 반응시키면 연소반응에 의해 열이 발생하면서 물이 되는데, 이때 수소와 산소를 직접 반응시키는 대신 연료전지를 통해 전기화학반응이 일어나게 하면 물과 열 이외에도 전기를 발생시킬 수 있다. 즉 연료전지란 수소 등의 연료가 갖고 있는 화학에너지로부터 전기에너지를 연속적으로 직접 발생시키는 발전장치다. 연료를 계속 공급하는 한 전기를 계속 발생시킬 수 있기 때문에 일회용인 건전지, 사용후 재충전이 필요한 이차전지와는 달리 연속적인 발전기 또는 에너지변환기의 역할을 수행한다.
또한 연료전지는 발생되는 생성물이 물밖에 없어 무공해 산물의 대표주자로 손꼽힌다. 기계적 에너지 변환 단계가 생략됐기 때문에 소음이 없음은 물론이다. 연료전지가 환경친화적이라고 불리는 이유다.
폐열까지 활용할 수 있는 ‘효자’
연료전지는 환경친화적이라는 장점 외에도 고효율이라는 장점을 자랑한다. 그렇다면 연료전지의 효율은 기존의 화력발전에 비해 얼마나 높을까. 예를 들어 생각해보자. 25℃에서 수소-산소 연료전지로 수소 2g(1몰)과 산소 16g(1/2몰)을 반응시키면 18g(1몰)의 물이 생기면서 이상적으로는 1.229V(볼트)의 전압이 발생한다. 이것은 약 56.9kcal의 열량에 해당하는데, 수소-산소의 원래 반응열은 68.6kcal이므로 연료전지를 통하면서 56.9kcal는 전기에너지로, 나머지 11.7kcal는 폐열로 방출되는 셈이다. 따라서 전기에너지로 활용할 수 있는 효율은 이상적으로는 약 89%나 된다.
그러나 실제로 연료전지에서 전류가 흐르기 시작하면 연료가 공급되는 속도만큼 전기화학반응이 빠르지 않고, 구성요소간의 저항이 있을 뿐 아니라 전극에서 연료나 산소의 농도 차이가 생기는 등 여러 요인에 의해 얻을 수 있는 전압이 이상적인 값보다는 낮다. 그래서 현 수준에서 실제효율이 40-45% 정도다. 그러나 이 효율도 화력발전이나 내연기관의 효율보다는 높은 값이다. 결국 연료전지는 기존의 화력발전보다 효율이 높고 질소화합물, 황화합물, 매연 등을 배출하지 않는다. 또한 회전부위가 없어 소음이 적고 모듈화가 가능해 다양한 용량으로의 건설과 증설이 쉽다. 이밖에 수소, 석탄가스, 천연가스, 매립지가스, 메탄올, 휘발유 등을 연료로 사용할 수 있으며, 전기에너지와 동시에 열이 발생하므로 폐열을 회수해 지역난방과 온수로 활용하는 열병합 발전도 가능한, 그야말로 ‘효자전지’다.
독일 연료전지잠수함 실용화 단계
연료전지의 종류는 어떻게 나뉠까. 연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 분류된다. 전해질로 인산을 사용하는 인산연료전지, 탄산리튬과 탄산칼륨의 혼합물을 사용하는 용융탄산염 연료전지, ‘지르코니아’라는 세라믹을 사용하는 고체산화물 연료전지, 수소이온교환막을 사용하는 고분자전해질 연료전지와 직접메탄올 연료전지, 수산화칼륨을 사용하는 알칼리 연료전지 등이 있다. 이중 인산, 용융탄산염, 고체산화물 연료전지는 주로 발전용으로 개발되고 있으며, 순서대로 각각 제1세대, 제2세대, 제3세대 발전용 연료전지로 나뉜다. 한편 고분자전해질 연료전지는 주로 수송용으로 개발된다. 실제로 미국의 GM, 일본의 도요타, 독일의 벤츠 등 세계의 선진 자동차회사는 빠르면 2003년이나 2004년경 고분자전해질 연료전지를 이용한 무공해 연료전지승용차를 선보일 예정이다. 고분자전해질 연료전지는 승용차 이외에 버스, 오토바이 등의 동력원으로도 개발되고 있으며, 2차 세계대전 때 U보트를 생산한 독일의 HDW사는 연료전지잠수함을 개발해 곧 실전에 배치할 계획이다.
휴대용 또는 이동용 연료전지로는 액체연료인 메탄올을 사용하는 메탄올 연료전지가 적합하다. 메탄올을 카트리지 형태로 연료전지에 부착하면 장시간 전원으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 언제든지 카트리지를 교환할 수 있는 장점이 있다. 따라서 메탄올 연료전지는 이차전지를 대신할 핸드폰용 전원, PDA 전원, 노트북 컴퓨터의 전원 등에 효과적으로 사용할 수 있으며 다른 가전기기 전원으로도 사용할 수 있을 것이다. 또한 파워를 증가시키면 무전기용 전원 등 군수용으로의 이용도 가능하다.
