초록 ▼

최근 수소경제에 대한 관심이 많아지면서 관련 기술에 대한 연구 및 투자가 정부와 기업 차원에서 활발하게 이루어지고 있다. 연료전지와 수전해는 이 수소경제의 기본이 되는 기술로서, 전자는 수소 연료로부터 전기를 생산하는 기술이고, 후자는 전기를 이용하여 물로부터 수소를 생산하는 기술이다. 태양광이나 풍력과 같은 불규칙적으로 생산되는 재생가능한 에너지를 수소로 전환한 후 저장하게 되면 저장하는 동안 에너지손실이 없기 때문에 수전해 기술은 효과적인 에너지 저장 방법으로 제안되고 있다.



연료전지는 대표

최근 수소경제에 대한 관심이 많아지면서 관련 기술에 대한 연구 및 투자가 정부와 기업 차원에서 활발하게 이루어지고 있다. 연료전지와 수전해는 이 수소경제의 기본이 되는 기술로서, 전자는 수소 연료로부터 전기를 생산하는 기술이고, 후자는 전기를 이용하여 물로부터 수소를 생산하는 기술이다. 태양광이나 풍력과 같은 불규칙적으로 생산되는 재생가능한 에너지를 수소로 전환한 후 저장하게 되면 저장하는 동안 에너지손실이 없기 때문에 수전해 기술은 효과적인 에너지 저장 방법으로 제안되고 있다.



연료전지는 대표적인 대체 에너지원으로 수소와 산소의 화학반응을 이용하여 전기에너지를 생산하는 장치이다. 연료전지는 크게 양이온교환막(PEM) 시스템과 음이온교환막(AEM) 시스템으로 나누어진다(그림 1). PEM 연료전지는 산성 조건하에서 구동되며 양극과 음극 사이의 분리막으로 pro-ton(H+)이 이동을 하는 시스템이고, AEM 연료전지는 염기성 조건하에서 구동되며 분리막으로 hydrox-ide(OH-) 이온이 이동하는 시스템이다.



PEM 연료전지에서는, 수소 연료가 Anode로 공급이 되면 촉매반응에 의해 산화반응이 일어나고 하나의 수소 분자는 2개의 전자와 2개의 proton으로 나뉘게 된다. Proton은 PEM을 통해서 반대쪽 전극인 cathode로 전달이 되고, 그동안 전자는 바깥쪽 전선을 통해 이동하며 전기를 발생시키게 된다. Cathode로 넘어온 proton과 전자 그리고 외부에서 공급된 산소가 만나 환원반응이 일어나고 부산물로 물이 만들어지게 된다. 이 각각의 산화환원반응은 전해질/촉매/수소 연료(또는 산소)의 접촉면인 3상계면에서 일어나게 된다. 이와 같이 전기에너지 생성 과정에서 단지 물만 발생하기 때문에 친환경 에너지 생성 장치의 대표적인 예로 각광을 받고 있고, 실제로 현재 자동차나 발전소에서 사용이 되고 있다. AEM 연료전지에서도 전극에서 같은 산화환원반응이 일어난다. 다만, 알칼리 조건에서 구동이 되기 때문에 proton 대신 hydroxide 이온이 cathode에서 형성되어서 anode로 이동을 하게 되고, 따라서 물은 cathode 쪽이 아닌 Anode 쪽에서 만들어지게 된다. 이런 차이들은 전체적인 연료전지 디자인에도 차이를 가져오게 되고, 이런 차이점에서 생겨나는 장점들이 부각되어 최근 연구 방향은 PEM 연료전지에서 AEM 연료전지로 넘어가고 있는 추세이다.[1, 2]



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