연료전지개요
연료전지는 화학 반응을 통해 연료로부터 전기를 직접 생성하는 장치입니다. 이 과정에서 일반적으로 수소, 메탄올 등의 연료와 산소(대기 중의 산소)가 사용되며, 이들의 화학 반응을 통해 전기, 열, 그리고 물이 생성됩니다. 연료전지는 발전 효율이 높고, 운영 시 이산화탄소 배출이 낮거나 없는 장점이 있어 친환경 에너지 기술로 주목받고 있습니다.
미래의 자동차는 현재와 같은 휘발유나 경유 등 화석연료를 사용하지 않을 것임은 틀림없다. 이를 위해 현재 제4차 산업혁명의 큰 틀 안에서 전기자동차를 대안으로 제시하고 전 세계의 메이저 자동차 회사들이 총력전이라는 것은 잘 알려진 사실이다.
전기자동차는 말 그대로 전기로 작동되는 자동차다. 즉 현재 디젤, 가솔린, 액화가스로 엔진을 가동하는 내연기관 자동차가 아니라 배터리와 모터를 사용하여 구동하는 자동차를 말한다. 장난감자동차에 건전지를 녕고 리모컨으로 움직이는 자동차도 전기차로볼 수 있으므로 큰 틀에서 전기자동차는 장난감 자동차를 규모만크게 만든 것이다.
전기자동차의 특징은 여러 가지인데 계기판을 스마트폰이나 태블릿을 사용할 수 있고 내연기관에서 사용하는 기어가 필요 없다.
그러므로 장난감 자동차를 원격조종장치로 움직일 때와 마찬가지로 자동차의 속도를 빠르게 할 때는 레버를 앞으로 돌리면 되고 달리고 있는 자동차의 속도를 줄이거나 멈추게 하려면 레버를 반대로돌리면 된다. 자동차를 후진시키는 것도 기어 변경이 필요 없이 레버를 뒤로 돌리면 된다. 통일한 방식으로 레버를 끝까지 돌리면 후진을 빨리하고 살짝만 돌리면 후진을 천천히 한다.
전기자동차가 근래에 화석연료의 고갈로 주목을 받고 있는 것은친환경 특성 때문이다. 전기 자동차는 화석연료를 사용하지 않으므로로 환경오염의 주범인 이산화탄소 및 공해물질을 배출하지 않아 친환경적이다. 또한 비용도 내연기관 자동차보다 저렴하게 운용할 수있다. 내연기관 자동차의 핵심 부품인 엔진, 변속기, 연료공급장치. 배기장치 등이 탑재되지 않아 엔진 및 변속기에 들어가는 필터등 소모품의 주기적인 교환이 필요 없으므로 자동차 유지비가 현저해 감소된다. 또한 비용 대비 성능이 월등하다. 전기자동차는 엔진을 사용하지 않는 대신 각각의 바기에 연결됨 모터가 바퀴를 자유롭게 구동하로 운행에 필요한 것은 배터리에 각각의 모터로 전기를 전달해 주는 것뿐이므로 자동차를 구동하는데 많은 에너지가 들지 않는다. 일반적으로 내연기관의 효율은 30% 정도인데 전기모터의 효율은 90%나 된다.
또한 전기 자동차는 소음과 냄새가 없으며, 매우 안락하고 깨끗하다. 더구나 전기자동차는 매우 간단한 구조를 가지고 있어 운전이 편리하고 유지와 정비가 쉽다는 장점이 있다.
그런데 천기의 특성상 전지가 전기를 저장하는데 현재 가동되고있는 전기자동차의 경우 전지의 용량이 만만치 않다는 것을 모르지않을 것이다. 한마디로 전기자동차를 가동하게 시킬 수 있는 배터리가전기자동차의 대부분을 차지하기 때문이다.
이 문제를 학자들은 보다 업그레이드된 수소연료전지자동차 이하 수소가 해결할 수 있을 것으로 생각한다. 수소차도 전기로 작동되지만 전기자동차는 연료를 주입하기 위해 충전소를 사용해야 하는데 수소차는 자동차 내에서 전기를 직접 만들어 쓴다는 점이 다르다.
한마디로 자가발전으로 자동차가 움직인다는 뜻이다.
수소차는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술인데 이를업그레이드하면 대량발전도 가능하다.
원리도 매우 간단하다. 물의 전기분해를 이용하는 것으로 물과전기가 만나면 수소와 산소가 나오도록 합 수 있다. 만약 이 순서를거꾸로 한다면 즉 수소와 산소를 만나게 하여 물과 전기를 만들 수있다. 수소를 자동차 내 뱅크에 저장했다가 산소와 결합해 물(수증기)과 전기를 만드는 것이 연료전지의 원리이다. 만약 사막을 달릴때 불이 떨어지면 잠깐 '실례'만 하면 된다는 뜻이다.
연료전지의 기본 원리
연료와 산화제 사이의 화학 반응을 통해 전기를 생성하는 것입니다. 이 과정에서 연료는 음극(Anode)에서 산화되어 전자를 방출하고, 이 전자들이 외부 회로를 통해 양극(Cathode)으로 이동하면서 전기를 생성합니다. 양극에서는 산화제가 이 전자들을 받아들여 환원 반응을 일으키며, 이 두 과정 사이에서 이온은 전해질을 통해 이동합니다.
연료전지의 종류는 사용되는 전해질과 작동 온도에 따라 여러 가지로 분류됩니다. 대표적인 연료전지로는 다음과 같은 것들이 있습니다:
고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell): 낮은 작동 온도(약 80°C), 빠른 시작 시간, 그리고 높은 전력 밀도로 인해 자동차 및 휴대용 전원에 적합합니다.
고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell): 높은 작동 온도(800°C 이상)로 인해 높은 전기 효율을 자랑하며, 열병합 발전에 유리합니다.
알칼라인 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell): 우주선과 군사용으로 사용되어 왔으며, 순수한 수소와 산소를 사용합니다.
인산염 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell): 중온에서 작동(약 200°C)하며, 상업용 건물에서 열과 전기를 공급하는 데 사용됩니다.
연료전지 기술은 다양한 분야에서 활용될 잠재력을 가지고 있으며, 특히 재생 가능 에너지와의 결합을 통해 지속 가능한 에너지 시스템의 핵심 구성 요소가 될 것으로 기대됩니다. 그러나 아직까지는 높은 비용, 내구성, 그리고 연료 공급 문제 등이 연료전지 기술의 상용화를 가로막고 있는 주요 장애물입니다.