연료전지개발과 성능

1. 알칼리 전지

 

이용시간이 긴 헤드폰 스테레오나 카메라의 스트로보 등에 이용된다. 이 전지는 19세기 말부터 연구되어 1960년대에 실용화됨과 동시에 급속히 보급되었다. 종래의 건전지 기기에 비해 대 전류를 필요로 하는 포터블 CD/MD, 액정 TV, 전자수첩, PDA, 휴대게임기, 호출기 등의 전지 사용 기기가 증가하면서 최근 수년간 망간 건전지에서 알칼리 건전지로 바뀌고 있는 추세다. 전압 안전성이 좋아서 보통의 사용조건에서는 용량이 망간 건전지의 약 3배이며, 고 부하 연속 방전에서는 약 10배의 용량이 된다. 그러나 망간 건전지에 비해서 1개당 수은 함유량이 많기 때문에 건전지 공해를 증폭시킬 우려가 있다.

 

 

2. 알칼리-망간전지

 

망간 건전지의 중성 전해액 대신 염기성 용액을 사용한 건전지이다. 간단히 알칼리 건전지 라고도 한다. 전해액으로는 30 ~ 40%의 수산화칼륨 또는 수산화나트륨에 산화아연을 포함시킨 용액이 사용된다. 음극은 아연관이 아닌 켈화된 아연분말을 사용한다. 공칭전압은 망간 건전지와 같은 1.5 [V]이다.

 

 

3. 연료전지

 

수소에너지가 대체에너지로 자리 잡게 될 경우 이의 전환기관은 연료전지가 될 것으로 예측되고 있다. 연료전지는 수소와 산소가 화학반응을 통해 물이 되는 반응에서 전기 에너지를 생산하는 수소와 산소가 화학반응을 통해 물이 되는 반응에서 전기 에너지를 생산하는 발전형 전지를 의미하는 것으로 1839년 영국의 W. Grove에 의해 발명되었다. 화학반응을 통해 전기에너지를 얻는 것은 연료전지가 처음이 아니며 여러 형태의 1, 2차 전지를 통해 이미 개발된 것이다. 연료전지는 1, 2차 전지와는 그 작동원리가 다르며 연료를 주입하면 연속적으로 전기가 생산되기 때문에 전지가 아니라 '발전'이라는 주장도 있다. 연료전지는 양극과 음극 그리고 이들 사이에 존재하는 전해질로 구성된다. 음극으로는 수소 기체 또는 수소를 포함한 물질이 들어와 촉매의 작용에 의해 전자와 H+이온으로 분리되게 된다. 이때 발생된 전자는 양극과 음극을 연결하는 외부 회로를 통해 음극으로 이동하는데 이 과정에서 외부 회로에는 전류가 흐르게 되어 이를 전기에너지로 이용할 수 있게 되는 것이다. 양극에서 발생된 수소이온은 전해질을 통과해 음극으로 이동하고 음극으로 유입된 산소는 외부 회로를 통해 이동한 전자와 결합해 산소이온이 된다. 산소이온은 전해질을 통해 음극으로 이동한 수소이온과 결합해 물 분자를 형성하게 된다.

 

 

* 연료전지의 개발과정

 

1839년 William Grove가 황산 용액에 두 전극을 담그고 산소와 수소를 흘려주어 전기를 발생시켜 처음으로 화학적 에너지의 전기적 에너지로의 직접적인 전환이 증명되고 Christian Friedrich Schonbein 교수에 의해 그 원리가 밝혀진 후, 많은 연구가 진행되었다. 하지만 초기에는 주로 수소/산소에 연료전지에 대한 실험에 극한되었고, 또한 전극물질로도 값이 비싼 금이나 백금 등을 사용하여야 했기 때문에 실험실적으로만 연구되고 실용화에는 한계가 있었다. 그러나 초기 연구를 통해 꾸준한 발전이 이루어져 1952년 5 [kW]급의 연료전지 발전소가 세워지게 되었고, 때마침 불어닥친 우주개발 붐에 힘입어 우주선의 에너지원으로 개발되어 1960년대 초 Gemini 우주선에 탑재됨으로 상업적인 이용을 목표로 한 연구가 시작되었다. 1970년대의 유류 파동을 겪으면서, 그동안 특수 상황에서 사용할 목적으로 개발, 연구되어 왔던 경우에서 벗어나 화력 발전을 대체할 대체 에너지원으로까지 주목받게 되었으며, 지금은 대규모 및 소규모 발전시스템, 그리고 전기 자동차용 동력, 휴대용 전원으로까지 다양한 분야로 연구가 확장되고 있다.

 

 

3. 연료전지의 성능

 

연료전지는 작동 온도, 수소원, 전해질 종류 등에 따라 구분이 되나 명확한 기준은 없다. 그러나 일반적으로 광범위하게 사용되고 있는 방법은 전해질에 따라 분류하는 것이다. 전해질은 앞에서 언급한 바와 같이 양극에서 전리된 수소이온의 음극으로의 이동통로인데 수소이온의 이동속도에 의해 외부 회로를 흐르는 전류의 양이 결정됨으로 연료전지의 성능은 전해질 내 수소이온의 이동 속도에 의해서 좌우된다고 볼 수 있다.