수소를 품고 있는 천연가스(CH4), 부탄가스(C4H10) 등 탄화수소계열을 에너지로 사용해보자고 결정합니다.
고체산화물 연료전지가 엔진을 만드는 엔진메이커 사이에서 큰 화두가 되고 있습니다. 기존 디젤엔진은 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 미세먼지(PM) 등을 과도하게 배출하여 환경오염의 주범으로 주목받아왔죠. 그래서, 요즘 엔진은 그나마 탄소배출이 덜한 가스 종류인 LPG, LNG 사용이 증가하기 시작했어요. 특히, LNG(CH4) 같이 탄화수소계열처럼 수소를 많이 품고 있는 연료가 주목받으면서 시너지가 날 수 있는 고체산화물 연료전지 R&D가 활발히 진행되고 있습니다.
고체산화물 연료전지의 핵심은 전해질로 고체가 들어간다는 것이에요. 산화지르코늄(ZrO2), 세리아(CeO2)가 있죠. 둘의 공통점은 산소를 품고 있다는 것입니다.
고체산화물 연료전지는 SOFC라고 부르는데요. Solid Oxide Fuel Cell의 약자입니다. SOFC를 '고체산화물(Solid Oxide)'과 '연료전지(Fuel Cell)'로 따로 분리해서 생각해보면 쉬워요. 고체산화물은 전해질로 산화지르코늄(ZrO2)과 세리아(CeO2)가 사용이 되는데요. 이름은 좀 어렵지만, 둘의 공통점이 있죠. 바로, '산화'가 들어간다는 것이에요. 맞습니다. 산화지르코늄과 세리아는 산소이온을 운반할 수 있기 때문에 전해질로 쓰이는 것이에요. 상식적으로 생각해보면, 전해질이 양극, 음극의 이온을 옮기는 것인데, 서로 반응을 안하면 사용할 수 없겠죠. 참고로, 양극, 음극, 전해질, 분리막에 대한 개념은 '이차전지 원리, 한 방에 이해'에 올려놨어요.
다음은 연료전지에요. 연료전지는 수소와 산소로만 전기를 발생시킬 수 있을 때 연료전지라는 이름을 붙일 수가 있어요. 고체산화물에서 산화지르코늄(ZrO2)과 세리아(CeO2)의 공통점이 산소를 품고 있다고 했었죠. 그러면, 산소 파트너인 수소를 찾으면 되겠네요. 그런데, 여기서 문제가 있습니다. 기존에는 수소만 넣어주면 된다고 생각을 했어요. 그런데, 수소생태계가 아직 구축도 안됐고 기존 수소를 품고있는 천연가스(CH4, 메탄), 프로판(C3H8), 부탄가스(C4H10) 등 천연자원를 활용하는 것이 더 다양하고 많이 SOFC를 활용할 수 있겠죠. 참고로, 고체산화물 연료전지는 600~1000도에서 연료극이 활성화됩니다. 이 말은 즉슨 연료극 내부에서 높은 온도로 내부반응이 일어날 수 있다는 뜻인데요. 그래서, 다른 고분자 전해질 연료전지, 인산연료전지에서는 200도 밖에 안돼서 사용못하던 천연가스 같은 탄화수소계열을 SOFC에서는 사용가능합니다. 이게 별 것 아닌 것 같지만, 엄청난 능력인 것입니다.
SOFC 작동원리는 아주 쉬워요. 공기극에 들어오는 산소를 전해질이 옮겨주고 연료극에서 수소와 만나는 것이죠.
자, 그러면 본격적으로 SOFC가 어떻게 작동하는지 알아볼까요. 우선, 수소를 품은 연료들이 들어오는 연료극이 있고요. 공기(산소)가 들어오는 공기극이 있습니다. 그리고 가운데에 산소이온을 운반해줄 앞서 말한 고체전해질인 산화지르코늄, 세리아가 포진해있죠.
우선, 공기극에 산소를 가득 넣어줍니다. 그러면, 산소 환원반응이 일어나는데요.환원이란 원자핵과 전자가 떨어진다는 것이에요. 이것을 이온화라고 하죠. 그러면, 전해질에서 고체형태로 있던 산화지르코늄, 세리아가 산소이온을 연료극 쪽으로 운반하기 시작해요.
연료극에서도 수소를 품고있는 수소를 넣어주던가 탄화수소계열인 천연가스, 프로판, 부탄가스 등을 넣어줄 수 있습니다. 앞서 설명했듯, 고온을 견딜 수 있는 고체산화물이기 때문에 탄화수소계열을 연료극에서 받아 줄 수 있는 것이죠. 아무튼, 수소(H)와 산소(O)가 만나게 되면, 물(H2O)이 되죠.
화학시간 때 배웠던 것을 생각해보면, 원소끼리는 화학적으로 결합하거나 분리될 때 에너지를 발산하게 되는데요. 이때, 열과 전기를 발생시킵니다.
이제, 아래 그림이 최종 완성된 SOFC인데요. 과정을 정리해볼게요. 우선, 공기극에 공기를 주입합니다. 공기 중에는 산소, 질소, 이산화탄소, 제논 등이 있죠. 아무튼, 핵심은 산소에요. 산소가 전해질인 산화지르코늄, 세리아를 타고 연료극으로 이동을 해요. 그러면, 연료극에서 기다리던 탄화수소계열(천연가스, 프로판, 부탄가스) or 수소 자체가 기다립니다. 둘이 만나게 됐을 때, 화학적결합을 하게 되는데, 이때 에너지를 발산하게 됩니다. 대표적으로 열과 전기에요. 그리고, 수소(H)와 산소(O)가 만났으니 물(H2O)도 생성이 됩니다. 전기는 전자가 연료극에서 공기극 쪽으로 이동하면서 전기를 발생시키게 되요. 마지막으로 어쨌든 탄화수소계열이 연료극에 들어왔으니 수소를 보낸 탄소가 남게되는데요. 탄소(C)가 산소(O)만나면 이산화탄소(CO2)가 되죠. 맞아요. SOFC는 100% 청정에너지를 사용하는 것이 아니에요. 애초에 탄소에너지를 끌고 왔기에 산소와 만난 CO2를 발생시키게 됩니다. 다만, 그냥 연소시키는 것보다는 SOFC 방식이 효율이 더 좋기 때문에 덜 CO2를 발생시키는 것 뿐입니다. 그리고 마지막으로 공기층에서 질소가 자연스레 들어왔다 빠져나가면서 마무리됩니다.
최근 엔진메이커들이 고체산화물 연료전지를 연구를 하고 있는데요. 제가 올린 'HSD엔진 이야기', 'STX중공업 이야기'를 보면 얼마나 적극적으로 이와 관련해 R&D에 투자하는지 알 수 있죠.