신재생에너지는 화석연료를 대체할수 있는 에너지로 전세계적으로 화두가 되고 있는 분야이다. 우리나라에서는 대체에너지를 석유, 석탄, 원자력, 천연가스가 아닌 11개 분야의 에너지로 규정하고 있으며 11개 분야는 크게 태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 등 재생에너지 8개 분야와 연료전지, 석탄액화 가스화, 수소에너지 등 신에너지 3개 분야로 구분하고 있다. 이중에서 신에너지 분야의 연료전지의 원리 및 구성, 활용 분야에 대해서 알아보기로 하자.
연료전지의 원리 및 구성
연료전지는 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로 전기를 생산하기 위해 전기분해 과정을 거친다.
전기분해 : 연료전지는 두 전극 사이의 이온을 전도하기 위해 전해액을 사용하고 전해액은 액체 또는 고체물질로 연료가 통과하여 다른 전극의 산소와 반응하게 된다. 연료가 산소와 반응하면 전자가 방출되고 전자는 외부회로를 통해 흘러 전류를 생성하게 된다. 연료전지는 수소, 천연가스, 메탄올, 에탄올 등 다양한 연료로 작동할 수 있다. 이중 수소는 연료전지에 가장 널리 사용되고 천연가스나 물의 전기분해를 통해 얻어진다. 연료전지의 효율은 약 40~60% 정도로 기존의 연소엔진 효율보다 2배정도 높다. 수증기와 열 이외의 배출물질은 없기 때문에 비교적 청정한 에너지원으로 알려져 있다.
연료전지의 주요 구성요소는 아래와 같다.
(1) 전극 : 연료전지는 양극과 음극을 갖고 있고 양극에서는 연료가 산화되고 음극에서는 산화제가 환원된다.
(2) 전해질 : 전해질은 이온이 통과하면서 전자가 통과하는것은 막는 물질이며 연료전지의 종류에 따라 액체 또는 고체로 이루어지며 일부에서는 반응속도를 높이는 촉매의 역할도 한다.
(3) 촉매 : 촉매는 반응속도를 높이는데 도움이 되는 물질로 일반적으로 백금과 같은 금속으로 전극에 코팅된다.
(4) 연료 : 연료는 양극에서 산화되어 전자와 이온을 생성하는 물질로 수소, 천연가스 등 다양한 연료가 사용될 수 있다.
(5) 산화제 : 산화제는 음극에서 환원되어 전자와 이온을 소비하는 물질로 가장 일반적인 산화제는 산소가스로 공기로 부터 공급된다.
그 외에 반응물과 생성물의 흐름을 관리하고 온도와 압력을 유지하며 연료전지 성능을 최적화하는 가습기, 펌프 및 제어시스템 등이 구성요소로 필요하다. 연료전지의 구성은 연료전지의 종류에 따라 달라지며 양성자 교환막 연료전지(PEMFCs)의 경우는 일반적으로 얇은 고분자 전해질막을 사용하는 반면, 고체 산화물 연료전지(SOFCs)는 밀도가 높은 세라믹 전해질을 사용한다. 일부 연료전지는 다른 연료와 산화제를 사용하기도 하고, 다른 전극이나 촉매를 사용하기도 한다. 그러나 기본원리와 구성요소는 동일하다.
다양한 활용분야
연료전지는 다양한 잠재적 응용분야를 가지고 있으며 일반적인 활용분야은 아래와 같다.
(1) 운송 분야 : 수소가스를 전기로 변환하여 전기자동차에 전력을 공급하는데 사용될수 있다. 수소 연료전지 차량은 기존의 연소엔진 차량에 비해 긴 주행범위, 짧은 주유시간 및 제로 배기가스 등 여러가지 이점을 갖는다. 현대자동차를 포함한 몇몇 자동하 회사들은 이미 연료전지 자동차를 시장에 출시했다.
(2) 발전 분야 : 가정, 기업, 나아가 지역사회를 위한 전기를 생산하는데 사용될 수 있다. 여기에 태양광 패널 또는 풍력터빈과 같은 에너지원과 결합하여 활용되기도 한다. 기존의 전원 시스템이 제한되거나 열악한 지역에 유용하게 활용할 수 있다.
(3) 휴대용 전자장치 : 스마트폰이나 노트북 같은 휴대용 전자장치에 전원을 공급하는데 사용될수 있다. 소규모 연료전지들은 빠르고 쉽게 충전되고 기존의 배터리들 보다 긴 작동시간을 제공할 수 있다.
(4) 백업 전원 : 병원, 데이터 센터 및 비상 대응 시스템과 같은 중요 인프라의 백업 전원으로 사용될 수 있다. 최소한의 유지보수만 요하므로 기존의 백업 발전기보다 안정적으로 활용이 가능하다.
(5) 군사 및 항공 우주 분야 : 긴 작동시간과 조용하게 작동하므로 무인항공기에 전력을 공급하고 군사 및 항공 우주 응용분야에 활용을 위해 연구개발이 이루어지고 있다.
연료전지는 깨끗하고 지속가능한 방식으로 에너지를 공급하므로 잠재력이 크며 지속적인 기술개선이 이루어지면 다양한 응용 분야에 연료전지가 더욱 광범위하게 활용될 것이다.
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