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수소사회를 이끄는 연료전지의 모든 것

차세대 에너지원인 수소를 활발하게 사용하는 수소사회, 그 시대를 이끄는 중심에 연료전지가 있습니다.
HMG저널 작성일자2019.03.08. | 7,162  view

연료전지는 크고 다양한 일을 해낼 수 있습니다

수소사회로 전환되기 위해서는 연료전지(Fuel Cell)의 역할이 무엇보다 중요합니다. 자동차는 물론 가정, 산업 현장에서도 지속적으로 사용 가능하기 때문입니다. 최근 연료전지의 발달이 가속화되면서 수소사회로의 진입도 빨라지고 있습니다. 연료전지가 어떻게 만들어지고 어떤 중추적인 역할을 하는지 궁금하다면 하나씩 설명해드리겠습니다.

수소사회 성장을 주도하는 연료전지

연료전지의 특징 및 중요성

환경오염을 유발하지 않는 수소가 차세대 에너지원으로 주목받고 있습니다. 각 나라는 석유와 석탄 등 화석에너지를 수소가 완전히 대체할 수 있는 수소사회를 맞을 준비를 계획하고 있습니다. 수소를 에너지로 사용하기 위한 노력은 오랫동안 계속됐습니다. 인프라와 연료전지 기술 부족, 경제성과 안정성 문제로 상용화까지 많은 시간이 필요할 것으로 예상됐지만 그 시기는 생각보다 빨리 다가오고 있습니다. 연료전지 기술이 급속도로 발전하면서 수소전기차가 출시되고 가정에도 수소 연료전지가 보급되고 있습니다.



연료전지는 산소와 수소의 전기화학 반응을 이용해 연료의 화학적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전 장치입니다. 연료가 외부에서 지속적으로 공급될 수만 있다면 계속해서 전기를 발생시킬 수 있고 에너지 전환 효율도 화석에너지와 크게 다르지 않습니다. 오히려 크기가 작아도 높은 에너지 효율을 기대할 수 있습니다.



연료전지는 1839년 영국 물리학자 윌리엄 그로브(William Grove)가 원리를 처음 발견한 뒤 1960년대 미국 NASA 우주선 프로젝트에 처음 탑재됐습니다. 1980년대에는 에너지 위기와 환경문제에 직면하면서 연료전지 발전이 이뤄졌습니다. 연료전지 개발이 본격적으로 시작된 것은 2000년대부터입니다. 미국과 유럽 등이 개발을 가속화하면서 가정과 차량을 중심으로 상업화가 이뤄진 것입니다.



연료전지는 크게 가정용, 수송용, 발전용으로 나뉩니다. 가정용 연료전지 분야에서 가장 앞서는 나라는 일본입니다. 도시바, 파나소닉, ENEOS셀텍 등의 기업이 힘을 모아 ‘에너팜(ENE-FARM)’이라는 공동 브랜드를 만들고 본격적인 시판에 돌입한 후 가정용 연료전지의 누적 판매량은 10만 대를 넘어섰습니다. 발전용 연료전지는 대기업을 중심으로 개발이 활발하게 이루어지고 있습니다. 가장 적극적으로 연구되고 있는 분야는 수송용 연료전지입니다. 수소전기차는 이미 출시됐고 선박과 항공 등에서도 인프라 보급을 위한 투자가 이루어지면서 수소산업의 성장을 주도하고 있습니다.


연료전지는 어떻게 전기를 만들까?

연료전지 시스템의 에너지 생산 과정

연료전지는 두 개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질 막으로 구성됩니다. 한 전극에는 수소를, 다른 전극에는 산소를 각각 공급하면 수소 측 전극에서는 수소분자가 수소이온과 전자로 분리되고, 수소이온은 전해질 속으로 이동해 산소 측 전극으로 전달됩니다. 산소 측 전극에서는 수소이온과 산소가 결합하면서 물이 생깁니다. 이 과정을 거치면서 전기에너지로 변환되고, 여러 개의 직렬로 연결하면 원하는 전압을 만들 수 있게 됩니다. 이때 생성된 전기는 에너지로 사용되고 물은 배출되는데, 연료전지가 친환경적인 이유가 바로 이 때문입니다. 연료전지는 순수하게 화학 반응의 결과물로 물을 만들기 때문에 화석 연료처럼 이산화탄소와 같은 오염 물질이 발생하지 않습니다.



수소 연료전지는 내연기관이 아닌, 수소를 연료로 사용하는 연료전지를 이용해 모터를 가동합니다. 먼저 안전한 수소탱크에 보관된 수소는 수소 공급 시스템에 의해 고압 상태에서 저압 상태로 바뀌어 연료전지 스택으로 이동합니다. 차량 전방에서 빨아들인 공기는 고성능 공기필터를 통과해 순수한 산소로 변한 뒤 연료전지 스택에서 수소와 결합해 폭발을 일으킵니다. 이때 발생하는 전기에너지가 배터리 시스템으로 이동해 자동차를 달릴 수 있게 하는 것입니다. 가솔린 자동차가 휘발유를 태울 때 화학에너지를 방출하면서 발생하는 열을 이용하는 것과 같은 원리입니다.


수소산업 성장의 원동력, 수송용 연료전지

넥쏘의 파워트레인

연료전지는 저온형과 고온형으로 나눌 수 있습니다. 저온형은 주로 자동차, 선박 등의 수송용으로, 고온형은 플랜트나 산업 현장 등에서 사용됩니다. 수송용 연료전지는 연료전지의 높은 효율과 친환경성을 갖춘 데다 내연기관 자동차와 같은 성능을 유지할 수 있어 완성차 제조사들이 앞다투어 개발에 나서고 있습니다. 낮은 속도에서도 성능 저하 없이 가속이 가능한 점도 큰 매력입니다.



수송용 연료전지는 공기 공급이나 냉각을 위한 컴프레셔나 펌프 등에서만 소음이 발생하기 때문에 오히려 내연기관 자동차보다 훨씬 정숙한 승차감을 제공합니다. 완성차 제조사가 수소전기차의 인프라 보급에 대규모 투자를 결정하는 것도 이 때문입니다.



▶해당 기사는 현대자동차그룹 모터스라인에서 원문을 확인할 수 있습니다



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