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수소로 연료전지를 만들다!

  • 2014.07.07.
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원소 주기율표 1번 원소이자 가장 가벼운 기체인 수소는 별에서 일반적으로 플라즈마 상태로 존재합니다.

특히 수소는 핵융합 반응을 통해 별들의 에너지를 제공하는 연료이기도 합니다.

매일 세상을 밝히는 태양도 수소의 핵융합으로 빛과 열 등의 에너지를 방출하며, 식물들은 이를 통해 광합성을 합니다.

이런 면에서 수소는 세상 모든 생물의 에너지원이라고 할 수 있습니다.

세상 모든 생물의 에너지원인 수소를 원료로 인공적인 에너지를 얻을 수도 있답니다. 바로 수소 연료전지입니다. 수소 연료전지는 핵융합을 하는 자연 에너지와는 달리 수용액에서 전자를 교환하는 산화-환원 반응, 즉 수소와 산소가 물로 바뀌는 과정을 통해  전기에너지를 만들어냅니다.

이 수소 연료전지는 화학반응의 결과로 물을 만들어내기 때문에 공해와 고갈 걱정이 없는 것이 특징입니다.

때문에 수소 연료전지는 세계 여러나라에서 미래 에너지원으로 활발히 연구되고 있습니다.

미래 에너지로 각광을 받고 있는 ‘연료전지’에 대해 알아보겠습니다.

 

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연료전지는 발전 장치의 규모가 크지 않아 송전비용을 줄일 수 있고, 원료 고갈이나 환경오염 문제에서 자유롭습니다.

때문에 초기의 연료전지는 자동차나 인공위성 등 이동용 장치의 독립전원으로 개발되었습니다.

연료전지를 최초로 만든 사람은 영국의 물리학자 윌리엄 그로브(Sir William Robert Grove)입니다.

그가 만든 전지는 1965년 미국의 우주선 제미니 5호에 적재돼 우주선 내의 전력과 식수 공급원으로 사용됐다고 합니다.

 

연료전지는 전기 분해 원리를 역으로 이용해 만들어집니다.

물에 전기를 흐르게 하면 물은 수소와 산소로 분해되지만, 연료전지는 반대로 수소와 산소를 결합시켜 전기를 일으키는 것입니다.

연료극에서 수소는 수소이온과 전자로 나눠지고, 전해질의 고분자막은 수소 이온만을 통과시켜 막 안쪽 음극에 전자를 보냅니다.

이때 수소이온은 공기극의 산소와 결합해 물이 되고, 이 물은 전기와 함께 동시에 생성돼 배출되는 것입니다.

앞서 전력과 식수원 역할을 했던 우주선의 연료전지가 바로 이런 원리로 만들어진 사례입니다.

 

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물론 연료전지에 100% 장점만 있는 것은 아닙니다.

수소는 가연성 원소이기 때문에 밀도가 낮은 용기에 저장하기가 쉽지 않습니다. 그래서 지금가지는 높은 압력이나 온도를 이용해 액체 상태로 저장하는 방법을 써왔는데 여기에는 무시못할 비용 문제가 따릅니다.

또, 연료전지의 하학반응을 촉진하기 위해 금속 촉매제를 사용하는데, 이 촉매제는 가격대비 경쟁력이 떨어진다는 단점도 있습니다.

이것이 그간 수소 연료전지를 빨리 상용화될 수 없었던 이유들입니다.

 

하지만 최근에 새롭고 유용한 방법이 속속 개발되고 있습니다. 최근  고려대학교 유종성 교수가 사람의 소변을 이용해 수소연료전지의 촉매를 개발했고, 영국 브리스톨대의 연구진 역시 ‘소변’을 연료로 하는 미생물 연료전지를 개발하기도 했습니다.

소변으로 촉매용 탄소를 만들면 연료전지의 가격을 50% 이상 낮출 수 있고, 탄소에서 뗀 소금은 겨울에 결빙 방지제로도 사용할 수 있다고 합니다.

브리스톨대 연구진은 이 새로운 방법을 이용해 2년 내 저개발국가를 위한 장치를 개발할 예정이라고 합니다.

 

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연료전지는 가정용을 비롯해 자동차, 발전소 등 큰 규모의 시설까지 적용할 수 있으며, 전압이 낮아도 효율적인 전기 생산이 가능합니다.

무엇보다 발전기와 같은 중간 장치 없이 전기를 생산해낸다는 것이 큰 장점입니다.

때문에 연료전지는 미국, 일본, 유럽 등 선진국을 중심으로 연구되어 왔습니다. 우리나라도 이런 연구에 절대 뒤쳐지지 않습니다.

한수원은 삼천리와 포스코에너지와 함께 경기도 화성시 발안산업단지에 58.8MW규모의 세계최대 연료전지 발전소 “경기그린에너지”를 2013년 말 준공하여 4억 6,400만 kwh의 전력과 1,950kcal의 열을 공급하고 있습니다. 이는 화성시 가정 전력 소비량의 70% 규모이며 가정 난방공급량의 10%에 해당됩니다. ( http://www.ggey.co.kr/ )

또한 부산 해운대에 30MW규모의 연료전지 발전소를 2015년 말 준공 목표로 사업을 추진중에 있어 친환경 수소 연료전지 발전소 건설 및 운영을 선도하고 있습니다. (http://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=64952 )

2015년 6월에는 서울 상암동 노을공원 부지에 20MW급 수소연료전지 발전소가 건설될 예정입니다. 한수원과 지역난방공사, 서울도시가스, 포스코에너지 등이 함께 하는 ‘노을공원 수소연료전지 발전소’는 연간 1억5,760만kWh의 전기와 약 650억kcal의 열을 생산하게 됩니다. 여기서 생산된 에너지는 5만여 가구에 전기를 공급하고, 500여 가구에 난방열을 공급할 수 있는 규모입니다.

 

수소연료전지 발전소가 생산해 내는 10MW의 전기는 동일 생산면적을 기준으로 할 때 태양전지 패널의 50배, 풍력발전 100배에 해당될 정도로 효율성이 높습니다. 

설치비는 kW당 300만원으로 700만원이 드는 태양전지 패널보다 절반 이상 저렴해 경제적인 측면에서도 유리합니다.

땅이 좁고 토지 비용이 높은 우리나라에 꼭 필요한 신기술이라고 할 수 있습니다.

 

수소는 1억 개의 원자를 한 줄로 배열해야 겨우 1cm가 될까말까 합니다.

그 미세하고 가벼운 원소가 엄청난 양의 전기를 생산하고 공해 걱정 없는 순수한 물만 배출해낸다니 새삼 고마워지는데요, 공해와 고갈 걱정 없는 무공해 에너지를 생산하는 연료전지발전소를 하루빨리 만나보았으면 합니다.

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코멘트(3)

  • Brightien Kim 3 년 전에

    수소를 어떻게 구해요?

  • yhbae 3 년 전에

    한수원은 삼천리와 포스코에너지와 함께 경기도 화성시 발안산업단지에 58.8MW규모의 세계최대 연료전지 발전소 “경기그린에너지”를 2013년 말 준공하여 4억 6,400만 kwh의 전력과 1,950kcal의 열을 공급하고 있습니다. 이는 화성시 가정 전력 소비량의 70% 규모이며 가정 난방공급량의 10%에 해당됩니다. ( http://www.ggey.co.kr/ )

    또한 부산 해운대에 30MW규모의 연료전지 발전소를 2015년 말 준공 목표로 사업을 추진중에 있어 친환경 수소 연료전지 발전소 건설 및 운영을 선도하고 있습니다. (http://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=64952 )

  • oh kook kwon 3 년 전에

    rWhen this can be used n home??
    Please let me know or teach me more for power generation..

    clint

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