물만 넣으면 자동차가 움직일까?
아쉽지만 아직은 전기분해의 기술을 이용해야 한다. 연료전지를 사용한 자동차를 연료전지 차(FCEV)라고 한다.
1839년 영국의 법률가이며 아마추어 물리학자인 윌리엄 로버트 그로브는 연료전지의 원리를 최초로 발명하였다.
그로브는 상부의 작은 전지에 있는 물을 수소와 산소로 분리하기 위하여 필요한 전기를 만들었다. 하부에 각각 수소와 산소를 포함하는 4개의 대형 전지를 사용하였다.
연료전지는 전기분해의 역반응 즉 수소와 산소를 양극과 음극에 연속적으로 공급하여 전기를 생산하는 발전기술이다. 다시 말하면 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치다.
연료전지 발전시스템의 구성은 수소를 함유한 일반 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스, 메탄올 등)로 부터 연료전지가 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변환하는 연료개질 장치가 있다.
연료전지 본체는 연료개질 장치에서 들어오는 수소와 공기 중의 산소로 직류 전기, 물 및 부산물인 열을 발생시킨다. 그리고 연료전지 본체에서 나오는 직류 전기를 교류로 변환시키는 전력변환 장치로 구성된다.
또 플랜트의 효율을 높이기 위해서는 연료전지 반응에서 생기는 반응열과 연료개질 과정에서 나오는 폐열 등을 이용하는 열 회수시스템이 있다.
이러한 연료전지는 작동온도와 연료의 형태에 따라 알칼리 형(AFC), 고분자 전해질 형(PEMFC), 인산 형(PAFC), 용융 탄산염 형(MCFC), 고체 산화물 형(SOFC) 등으로 구분한다.
연료전지의 특징은 전기효율 47%, 복합효율 60% 화력발전 대비 최대 연비를 50% 향상시킬 수 있다.
대기오염물질의 무 배출, 이산화탄소의 저 배출, 저소음으로 도심지 설치가 가능하다. 그리고 90% 의 높은 운용 신뢰도와 필요한 곳에서 직접 전기 생산이 가능하다. 게다가 설치면적도 ㎾당 0.18㎡ 의 최고 공간 효율성을 나타낸다.
연료전지의 용도는 소형 휴대용 전원, 분산전원, 수송수단, 대형발전소, 우주선, 잠수함, 군용 전원, 에너지저장 등으로 나누어진다.
특히 환경 규제 강화와 에너지 문제 등으로 하이브리드를 포함한 친환경자동차 시장의 급속한 성장이 전망된다.
연료전지 자동차의 시장이 2030년 이후는 최대의 비중을 차지할 것으로 예측하고 있다.
‘고효율, 친환경 미래에너지 시스템’, 수소연료전지 사회!
김귀열 (주)네오엔 연구소장 공학박사