서론
연료전지를 기반으로 작동하는 운송수단은 연료를 태울 때 발생하는 CO2를 줄일 수 있고 나아가 기후변화를 감소시킬 수 있으며 디젤이나 가스 엔진 보다 효율이 높고 소음이 적습니다. 연료전지는 일반 가스 터빈이나 내연 기관과 달리 펌프, 팬과 같은 움직이는 부분이 적고 대량생산되는 부품들이 많으며 낮은 온도에서도 빠르게 작동될 수 있습니다. 하지만 가스 연료를 저장하는 곳의 무게와 부피가 크고 시간이 좀 걸리며 일반 운송수단보다 비용이 비싸 저비용의 연료전지 운송수단이 나올 수 있도록 계속해서 개발되는 중입니다. 이러한 연료전지에 쓰일 수 있는 연료로는 수소, 천연가스, 석탄, 나프타, 알코올 등이 있는데 이 글에서는 이 중에서 천연가스를 연료로 쓰는 연료전지에 대해 알아보고자 합니다. 또한 연료전지의 구성 요소 및 시스템 내에서 발생되는 화학적 반응과 연료전지의 다양한 유형에 대해서 나타냈습니다.
연료전지의 연료인 천연가스
천연가스의 70-99%는 메탄으로 이루어져 있고 이를 에너지 시스템에서 이용하기 위해서는 천연가스에 존재하는 과량의 탄소를 제거하기 위한 과정이 필요합니다. 이 과정에서 천연가스는 고순도의 가스수소흐름으로 전환이 되며, natural gas reforming, WGSR process (Water Gas Shift Reaction), PROX or SELOX reaction (Preferential Reaction Oxidation of the CO)등의 과정을 거쳐 진행이 됩니다. 이 3가지 공정 중 가장 첫 번째로 행해지고 기본이 되는 reforming 공정에는 Steam reforming, Dry reforming, Autothermal reforming, Partial oxidation 등의 방법이 있습니다. 이러한 과정을 거쳐 천연가스가 에너지 시스템에 이용이 되면 CO2 가 발생하게 되는데 CO2의 발생이 점점 증가할수록 온실효과가 더 발생하고 결국 지구온난화의 문제가 더 심각해집니다. 지구온난화로 인해 지구의 평균 온도는 0.85°C가 증가하였고, 평균 해수면은 약 19cm가 상승하였으며 이산화탄소 농도 문제도 심각합니다. 그래서 이러한 현상을 막기 위해 CCS(carbon capture and storage)라는 이산화탄소를 포집하고 저장하는 기술이 개발되었습니다. CCS 기술 중 CO2 포집 기술은 전체 비용의 7~80% 를 차지하는 핵심 기술로서 크게 Post-combustion technology, Pre-combustion technology, Oxy-fuel combustion technology 이 있습니다. 이렇게 포집한 이산화탄소는 지질에 저장, 염류 대수층에 저장, 심해 저장, 깊은 석탄 층에 저장 등의 방법으로 저장할 수 있는데 이 중 지표저장은 추가적으로 발생한 2차 물질에 대한 처리도 문제가 되고 비용도 많이 들며 해양 저장은 생태계문제 등 환경적인 이유로 법으로 금지되고 있어 지중저장이 많이 사용되고 있습니다.
구성 요소 및 발생되는 화학적 반응
일반적으로 연료전지는 전해질, anode(양극), cathode(음극) 이렇게 세 부분으로 구성이 되는데 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell)는 전해질로 고체 산화물 전해질 또는 세라믹 전해질을 사용합니다. 전해질을 구성하고 있는 세라믹 물질(YSZ)의 특성상, 600 °C 이상의 고온에서만 활성화되어 이온이 이동할 수 있습니다. Anode(양극)에서의 H2 소비와 cathode(음극)에서의 O2 소비는 패러데이 법칙을 따르며 전류밀도에 비례합니다. 연료를 개질하는 과정에서, 개질 반응과 수성 가스 반응(water gas shift)을 통해 탄화수소 또는 CO는 전기 화학적으로 활성이 아니지만 소비됩니다. 예를 들어 CH4와 CO가 양극에 공급되면, 뒤에 오는 반응이 CH4, CO 두 종류의 소비를 조절합니다.
- CO +H2O ↔ CO2 +H2 (water-gas shift)
- CH4 +H2O ↔ CO +3H2 (methane reforming)
이 두 개의 반응은 anode(양극)에서 평형을 이루고 있습니다. 연료의 catalytic partial oxidation and autothermal reforming 이 일어나 외부적으로 reforming 하는 SOFC 시스템은 개질 생산물이 메탄이 아닌 수소와 일산화탄소입니다. 따라서 주요 반응은 수소의 전기 화학적 산화와 water gas shift가 평형 상태에 있는 water gas shift 반응입니다.
다양한 유형의 연료전지
연료 전지는 각각의 고유한 특성과 용도에 따라 분류될 수 있습니다. PEMFC는 고체 고분자막을 전해질로 사용하여 보통 100도 미만에서의 낮은 온도에서 작동합니다. 빠른 시동이 가능하다는 장점으로 연료 전지 차량과 같은 운송 분야에 활용됩니다. SOFC는 500~1000도의 고온에서 작동하며 고체 세라믹 전해질을 사용합니다. 이것은 수소, 천연가스, 바이오연료 등 다양한 연료의 활용이 가능합니다. MCFC는 약 650도에서 작동하며 용융 탄산염의 혼합물을 전해질로 사용합니다. 고품질의 폐열 생산이 가능하며, 대규모 발전 분야에 적합합니다. AFC는 보통 수산화칼륨 같은 알칼리 전해질을 사용하며 연료로는 순수한 수소를 활용하고 이산화탄소에는 민감하다는 특징을 가집니다. DMFC는 메탄올 용액을 연료로 이용하며 연료를 수소로 전환시킬 때 필요한 개질기가 없어도 됩니다. 또한 휴대가 가능한 소형의 특징을 가지기 때문에 소규모 응용 분야에 적합합니다.
결론
이번 글에서는 운송하면서 연료를 태울 때 발생하는 이산화탄소를 줄이고 기후변화에 대응할 수 있는 신기술인 연료전지에 대해 알아보았고, 연료전지의 연료로 사용되는 천연가스와 시스템의 구성 요소 및 시스템 내에서 발생되는 화학반응, 또한 여러 종류의 연료전지에 대해 나타냈습니다. 일반 내연 기관과 달리 낮은 온도에서도 빠르게 작동될 수 있다는 연료전지의 특징은 미래에 필요한 환경적 신기술이라고 생각합니다.