오늘날 세계는 화석연료의 매장량 한계와 가격상승, 그리고 발생되는 이산화탄소에 의한 온난화 및 여러 환경오염문제로 인해 화석연료를 대체할 새로운 청정 대체 에너지 개발에 매진하고 있다. 이에 대한 가장 합리적인 대안으로 수소에너지가 제시되고 있는데, 이는 수소가 연료로서 활용성이 높은 고효율 에너지이자 지구상에서 가장 풍부한 물을 원료로 생산할 수 있는 무한한 청정에너지이기 때문이다.
또한 연소과정을 통하여 에너지를 얻고, 생성물로 물이 다시 얻어지기 때문에 이로부터 수소를 또 얻을 수 있는 무한 재생이 가능한 편리한 에너지이다.
수소는 물에서 탄생해 물로 돌아가는 최상의 무공해 친환경 에너지이며, 연료전지(fuel cell)라는 전기화학 장치를 통해 난방과 전력까지 동시에 해결할 수 있는 에너지 자원이기도 하다. 연료전지는 이름에서 알 수 있듯, 연료를 사용하는 전지를 발생시키는 전지이다.
즉, 전기화학적 변환을 통해 수소 또는 알코올 등 여러 다른 연료의 화학에너지로부터 직접 전기에너지를 얻을 수 있는 전기화학 장치이다.
특히 연료전지는 전기화학적 변환을 통해 전기를 발생시키기 때문에 내연기관 대비 2~3배의 고효율로 전기를 발생시킬 수 있는 전기화학장치로 소음이 적고, 공해물질의 배출이 매우 적어 녹색 대체에너지 원으로 미래 전기자동차, 발전용, 가정용 전원, 이동형 전자제품의 전원 등 다양한 방향으로 응용이 기대되고 있다.
연료전지 중에서 수소를 연료로 이용하는 수소 연료전지는 에너지 효율이 높고, 생성물이 단지 물로 미래 청정 대체에너지원으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 다양한 연료전지 중 주로 양성자교환막(PEM, Proton Exchange Membrane)을 전해질막으로 이용하는 PEM 연료전지는 보통 수소를 연료로 이용하는데, 이 연료전지의 산화전극(anode)에서는 수소가 산화되어 양성자와 전자가 나오고, 환원전극(cathode)에서는 산소가 PEM 막을 통해 들어오는 양성자와 외부도선을 통해 들어오는 전자와 만나 물과 열을 발생한다. 이때 전기에너지를 얻을 수 있다.
다시 말해 연료전지의 알짜 반응은 수소와 산소가 전기화학적 반응을 통해 물을 생성하고 이 때 전기에너지와 열을 발생하는 장치로, 물이 수소와 산소로의 분해되는 전기분해 반응의 역반응이다. 전기분해 반응이 물로부터 수소와 산소를 분리하기 위해 외부에서 전기에너지를 공급해야 하지만 반대로 연료전지는 수소와 산소의 결합을 통해 전기에너지를 뽑아내 이용할 수 있다.
즉, 연료전지에서 수소와 산소가 물로의 전기화학적 변환은 추가 높은데서 아래로 떨어지는 것처럼 자발적으로 진행되고, 그 차이만큼의 전기에너지를 뽑아 낼 수 있는 것이다.
비록 연료전지 반응이 아무런 에너지를 주지 않아도 자발적 반응을 통해 전기를 발생시킨다 해도, 실제로 연료전지를 이용해 전기를 발생시켜 이용하기에는 그 반응이 너무 느려 실용적이지 못하다.
그래서 이 반응을 촉진하는 좋은 산화 및 환원 전극이 필요한데, 이 반응을 촉진하는 전극의 구성성분으로 가장 좋은 금속이 백금(Pt)이다. 그러나 백금은 귀금속으로 너무 비싸서 백금을 이용한 전극을 이용한 연료전지 가격이 고가이기 때문에 연료전지의 가격을 낮추기 위해 백금의 사용을 줄이면서 전지의 효율을 향상시키는 다양한 연구들이 진행되고 있다. 이처럼 연료전지의 비싼 전극 물질의 문제를 해결할 수만 있다면, 연료전지는 특히 전기자동차 등 우리 생활의 많은 분야에서 중요한 녹색 에너지원으로 이용될 것이다.
유종성 고려대 신소재화학과 교수
[저작권자 ⓒ디지털타임스 무단 전재-재배포 금지]
또한 연소과정을 통하여 에너지를 얻고, 생성물로 물이 다시 얻어지기 때문에 이로부터 수소를 또 얻을 수 있는 무한 재생이 가능한 편리한 에너지이다.
수소는 물에서 탄생해 물로 돌아가는 최상의 무공해 친환경 에너지이며, 연료전지(fuel cell)라는 전기화학 장치를 통해 난방과 전력까지 동시에 해결할 수 있는 에너지 자원이기도 하다. 연료전지는 이름에서 알 수 있듯, 연료를 사용하는 전지를 발생시키는 전지이다.
즉, 전기화학적 변환을 통해 수소 또는 알코올 등 여러 다른 연료의 화학에너지로부터 직접 전기에너지를 얻을 수 있는 전기화학 장치이다.
특히 연료전지는 전기화학적 변환을 통해 전기를 발생시키기 때문에 내연기관 대비 2~3배의 고효율로 전기를 발생시킬 수 있는 전기화학장치로 소음이 적고, 공해물질의 배출이 매우 적어 녹색 대체에너지 원으로 미래 전기자동차, 발전용, 가정용 전원, 이동형 전자제품의 전원 등 다양한 방향으로 응용이 기대되고 있다.
연료전지 중에서 수소를 연료로 이용하는 수소 연료전지는 에너지 효율이 높고, 생성물이 단지 물로 미래 청정 대체에너지원으로 많은 연구가 이루어지고 있다. 다양한 연료전지 중 주로 양성자교환막(PEM, Proton Exchange Membrane)을 전해질막으로 이용하는 PEM 연료전지는 보통 수소를 연료로 이용하는데, 이 연료전지의 산화전극(anode)에서는 수소가 산화되어 양성자와 전자가 나오고, 환원전극(cathode)에서는 산소가 PEM 막을 통해 들어오는 양성자와 외부도선을 통해 들어오는 전자와 만나 물과 열을 발생한다. 이때 전기에너지를 얻을 수 있다.
다시 말해 연료전지의 알짜 반응은 수소와 산소가 전기화학적 반응을 통해 물을 생성하고 이 때 전기에너지와 열을 발생하는 장치로, 물이 수소와 산소로의 분해되는 전기분해 반응의 역반응이다. 전기분해 반응이 물로부터 수소와 산소를 분리하기 위해 외부에서 전기에너지를 공급해야 하지만 반대로 연료전지는 수소와 산소의 결합을 통해 전기에너지를 뽑아내 이용할 수 있다.
즉, 연료전지에서 수소와 산소가 물로의 전기화학적 변환은 추가 높은데서 아래로 떨어지는 것처럼 자발적으로 진행되고, 그 차이만큼의 전기에너지를 뽑아 낼 수 있는 것이다.
비록 연료전지 반응이 아무런 에너지를 주지 않아도 자발적 반응을 통해 전기를 발생시킨다 해도, 실제로 연료전지를 이용해 전기를 발생시켜 이용하기에는 그 반응이 너무 느려 실용적이지 못하다.
그래서 이 반응을 촉진하는 좋은 산화 및 환원 전극이 필요한데, 이 반응을 촉진하는 전극의 구성성분으로 가장 좋은 금속이 백금(Pt)이다. 그러나 백금은 귀금속으로 너무 비싸서 백금을 이용한 전극을 이용한 연료전지 가격이 고가이기 때문에 연료전지의 가격을 낮추기 위해 백금의 사용을 줄이면서 전지의 효율을 향상시키는 다양한 연구들이 진행되고 있다. 이처럼 연료전지의 비싼 전극 물질의 문제를 해결할 수만 있다면, 연료전지는 특히 전기자동차 등 우리 생활의 많은 분야에서 중요한 녹색 에너지원으로 이용될 것이다.
유종성 고려대 신소재화학과 교수
[저작권자 ⓒ디지털타임스 무단 전재-재배포 금지]
