에너지의 미래, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)


화석연료의 과도한 사용으로 지구에는 대기오염과 지구온난화가 찾아왔다. 사람들의 에너지 사용량은 점점 늘어가고 인구 또한 증가하고 있는데 지구 환경은 비상인 것이다. 그래서 우리는 새로운 에너지 대체 공급원을 찾아야 할 필요성이 있다. 물론 현재도 화석연료를 이용한 발전 외에도 원자력 발전, 태양광 발전, 수력 발전 등 다양한 발전 방법들이 사용되고 있다. 그러나 현재 효율과 안전, 환경을 모두 섭렵한 발전 방법은 등장하지 못했다. 그래서 가장 유력한 대체 방법으로 떠오르는 방법이 연료전지이다.


연료전지(Fuel cell)란?


연료전지란 연료와 산화제의 전기화학적 반응으로 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 장치이다. 전지는 이미 저장되어 있는 화학에너지를 전기에너지로 소모하는 반면에 연료전지는 연료가 공급되는 조건 안에서 지속적인 반응으로 계속해서 전기를 생산해내기 때문에 방전의 걱정이 없다. 그리고 화력발전에 비해 친환경적이고 소음 또한 적다는 장점이 있다. 공간적 효율 또한 뛰어나서 활용 방향이 무궁무진하다. 연료전지는 수소를 연료로 사용하는 전지만 포함한다고 생각하는 경우가 많은데 연료 전지의 연료로 알코올 또는 탄화수소가 사용되기도 한다. 그리고 산화제 또한 산소뿐만 아니라 염소 또는 이산화염소도 쓰일 수 있다. 이처럼 연료전지에 사용될 수 있는 물질도 다양하다는 장점이 있다. 마지막으로 에너지 발전에 있어서 가장 중요한 효율에 있어서도 40~60%로 매우 높은 효율을 가지고 있다. 이처럼 연료전지는 미래의 주 에너지원으로 가장 유력한 후보이다.


고분자 전해질 연료전지(PEMFC)란?


고분자 전해질 연료전지 구조

고분자 전해질 연료전지는 고분자로 이루어진 막을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 구조는 촉매가 포함된 전극과 전해질막으로 이루어져있다. 수소가 공급되었을 때 수소가 수소 이온과 전자로 분리되면 수소 이온은 전해질막을 통해서 반대 전극으로 이동하고 전자는 막이 아닌 도선을 따라서 이동하면서 전류가 흐르게 된다. 고분자 전해질 연료전지의 장점으로는 간단한 구조와 제작방법, 그리고 높은 무게와 공간 효율이 대표적이다. 그리고 부식 문제가 거의 없어서 40,000시간 이상의 긴 시간 동안 무리 없이 작동할 수 있고 저온에서 반응이 일어난다는 특징 덕분에 활용 범위가 더욱 넓다. 그리고 기본적으로 높은 효율을 탑재하고 있어서 질량과 부피에 대한 에너지 밀도도 높고 에너지 효율 자체도 45%로 높은 편이다. 그래서 이러한 강점을 살려서 교통수단의 동력원, 현지 설치형 발전 등에 유용하게 쓰일 수 있다.


고분자 전해질막(PEM)의 조건


고분자 전해질막의 가장 중요한 조건은 선택적 투과능력이다. 고분자 전해질 연료전지의 원리는 수소 이온은 전해질막으로 통과시키고 이 막으로 통과되지 못한 전자가 밀려서 도선을 따라 흐르게 되어 전류가 생성되는 것이다. 따라서 전해질막의 높은 수소 이온 투과능력과 전자 절연능력이 매우 중요하다. 그리고 이 막을 사이에 두고 양 전극에서 각각 반쪽반응이 일어나게 된다. 따라서 이 반쪽반응이 독립적으로 일어나는 것이 중요하기 때문에 이 막에 대한 수소와 산소의 투과율도 낮아야 양쪽 전극에서 일어나는 반응의 완벽한 분리를 이끌어낼 수 있다.



나피온 분자구조

그로투스 메커니즘

현재 사용되고 있는 대표적인 전해질 물질로는 Nafion-115, Aciplex-S, Flemion 등이 있다. 이들은 화학적으로 안정하고 물리적으로 또한 안정적인 구조를 가지고 있어 얇은 막 형태로 사용될 수 있다. 뿐만 아니라 산성을 띄어서 다량의 물을 포함할 수 있다는 장점이 있다. 이 때 물이 그로투스 메커니즘(Grotthuss mechanism)으로 빠른 연쇄적인 양성자 전달을 이루어낼 수 있기 때문에 다량의 물을 포함할 수 있다는 점은 전도도가 높아진다는 사실과 같기 때문에 연료전지의 효율에 긍정적인 영향을 미친다.


고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 단점 및 개선 방향


연료전지의 능률을 좌우하는 대표적인 두 물질이 전극을 코팅하고 있는 촉매와 선택적 투과성을 가진 전해질이다. 그러나 이 두 역할로 대표적으로 쓰이는 물질의 가격이 비싸서 상용화에 어려움이 있다. 그래서 촉매와 전해질로 쓰일 높은 효율을 가지고 있고 보급화 될 수 있는 물질을 찾는 것이 중요하다. 그리고 발전 비용 또한 많이 들어서 금전적 효율은 낮은 편에 속한다. 따라서 이 점을 극복하는 것도 고분자 전해질 연료전지 상용화의 또 다른 키 중 하나다. 그리고 물의 함량 조절 또한 매우 중요한 부분이다. 물이 너무 많으면 침수될 수 있고 기체의 반응을 막아버릴 수도 있다. 그러나 물이 적으면 수소이온 전도도가 낮아지기 때문에 연료전지 효율에 치명적일 수도 있기 때문에 이 둘 사이에서 전해질막의 적절한 물 함량을 조절하는 것이 중요하다. 이러한 몇 가지 연료전지의 개선점을 극복한다면 연료전지는 우리의 미래 전기 생산자로 막중한 역할을 수행할 것이다.



ⓒ 2018학년도 2학기 바라던Bio

<작성자> 18-110 최성아

<분야> 전기화학(Electrochemistry)

<참고 문헌>

1. Jin Zhang, Hui-Juan Bai, Qiu Ren, Hong-Bin Luo, Xiao-Ming Ren, Zheng-Fang Tian, and Shanfu Lu, Extra Water- and Acid-Stable MOF-801 with High Proton Conductivity and Its Composite Membrane for Proton-Exchange Membrane, ACS Applied Materials & Interfaces 2018 10 (34), 28656-28663

2. FuelCellStory- PEMFC http://www.fuelcelltoday.com/technologies/pemfc

3. Proton exchange membrane fuel cell, Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Proton-exchange_membrane_fuel_cell

<이미지>

1. 고분자 전해질 연료전지 구조 http://www.fuelcelltoday.com/technologies/pemfc

2. 나피온(Nafion) 분자구조 https://en.wikipedia.org/wiki/Nafion

3. 그로투스 메커니즘(Grotthuss mechanism) https://www.easybiologyclass.com/proton-hopping-in-water-grotthuss-mechanism/

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