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연료전지 기술이 환경오염을 줄일 수 있을까?[작은 강의]
김지연 기자  |  smpkjy93@sm.ac.kr
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승인 2017.09.18  
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최근 지구온난화와 같은 환경 문제가 대두됨에 따라 친환경 에너지에 대한 관심이 집중되고 있다. 또한, 우리나라뿐 아니라 전 세계가 ‘안전하고 깨끗한 에너지’라는 목표를 달성하기 위해 대안 에너지 또는 재생 에너지에 대해 많은 지원을 하고 있다. 대안 에너지로는 수소 에너지를 들 수 있고, 재생에너지에는 태양에너지, 수력에너지, 풍력에너지, 조력에너지 등이 있다. 태양 에너지는 햇빛이 비치지 않는 흐린 날씨에는 전혀 사용할 수 없으며, 풍력 에너지는 바람이 불지 않으면 에너지를 생산할 수 없기 때문에, 상용화까지는 아직 극복할 문제점이 많다. 연료전지는 수소를 연료로 사용해 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환하는 전기화학적 장치이기 때문에, 자연환경에서 오는 문제점에서 상대적으로 자유롭다. 연료전지는 작동 온도와 구성 물질의 종류에 따라 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell), 인산형 연료전지(Phosphoric-Acid Fuel Cell), 직접 탄소 연료전지(Direct Coal Fuel Cell) 등 여러 종류가 있다.

연료전지의 기본적인 작동원리는 다음과 같다. 공기 극에서 산소가 전자를 얻게 되고(환원) 이때 만들어진 산소 이온이 전해질을 통해 연료 극으로 이동한다. 이 산소 이온이 연료 극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이때 연료 극에서 전자가 만들어진다. 만들어진 전자가 외부 전선을 거쳐서 (전구에 불을 밝히고) 공기 극으로 공급돼 산소 이온이 만들어진다. 3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지다. 모든 구성요소가 고체로 이뤄져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 부식의 문제가 크지 않다. SOFC는 산소 이온 전도성 고체 전해질과 그 양면에 위치한 공기 극(cathode) 및 연료 극(anode)으로 이뤄져 있다. SOFC는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 ? 1000 ℃)에서 작동한다. 고온에서 작동하기 때문에 다른 연료전지에 비해 상대적으로 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 수소 이외에도 다양한 연료를 사용할 수 있다. 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열병합 발전(co-generation)이 가능해 에너지 변환 효율도 높다. 이러한 장점들 덕분에 SOFC에 관한 연구는 미국, 유럽, 일본 등 선진국을 중심으로 활발히 이뤄지고 있다.

선진국에서의 SOFC 연구는 정부 및 기업 차원의 막대한 연구 지원을 통해 상용화 단계에 진입했으며, 미국, 일본의 경우 이미 제품의 현장 테스트를 계속해서 진행 중이다. 우리나라의 경우 인구 밀도가 높아 화력, 원자력, 태양광, 풍력 발전을 위한 신규 발전소의 입지 선정이 어렵고, 최근의 환경오염 및 안전 문제를 고려할 때 친환경 에너지원으로서 SOFC 개발은 필수적이다.

SOFC 기술은 기계공학 분야에 국한된 것이 아니고, 화학을 기초로 해 화학공학, 재료공학, 기계공학 등 모든 분야의 융합 기술이기 때문에, 여러 분야의 협업이 필수적이다. 현재 우리나라의 SOFC 연구 기술도 선진국 기술과 필적할 만큼 발전했기 때문에, 정부 및 기업 차원에서 체계적인 연구 개발사업 추진을 통해 국제 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 보인다. 우수한 성능과 안정성을 보이는 것이 상용화의 필수 조건이며 다양한 분야의 연구자들이 이 목표를 달성하기 위해 노력하고 있다.

우리는 지구 온난화로 인해 극심한 기후 이변을 보인다는 발표를 많이 접하고 있다. 이 발표가 과학적으로 맞느냐 틀리냐를 따지기 이전에, 산업혁명 이후로 인류가 산업을 엄청나게 발전시켰지만, 그 ‘발전’이 지구를 얼마나 오염시켜 왔는지는 더 이상 말할 필요가 없을 것이다. 과거 ‘발전’이라는 이름 아래 용인됐던 환경을 오염시키는 모든 활동은 빠른 시일 내에 줄여나가야 할 것이며, 그 하나의 방법이 연료전지 등 친환경 에너지를 빨리 상용화시키는 것이 지구의 구성원으로서 공학도가 할 일이라고 생각한다.

                                                                                             신지영 기계시스템 교수

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