미래 차량 동력원 수요 연료 전지 원리 정리

미래 차량들의 발전 방향을 예측하기 위해서는 미래 차량 동력원 중 하나인 수소 연료 전지의 원리에 대한 이해가 필요합니다. 과연 어떤 원리를 가지고 있는지 알아보도록 하겠습니다. 

 

 

기존의 에너지 시스템 구성과 원리

미래 차량 동력원인 수소연료 전지 내부의 물질 전달 원리는 어떻게 되는지 알아보도록 하겠습니다. 연료전지 내부의 물질 및 에너지 전달 원리에 대해 알아보기 전 이를 더 쉽게 이해할 수 있도록 연료 전지와 같은 에너지 시스템의 역사와 발달 과정을 살펴볼 필요가 있습니다. 

 

기존 대부분의 에너지 시스템은 기본적으로 열에너지를 팽창에 의해 변화하며 초기의 증기 엔진은 주로 상변화에 의한 액체에서 기체로의 큰 최적 비를 활용하는 방식이었습니다. 

 

이후의 내연 기관의 증기를 가열하여 팽창시키는 과정 대신 실린더 내부에서 직접 연소하면서 열을 발생시키고 팽창을 하는 방식으로 소형화와 고효율화를 이루어 냈습니다.

 

기존 대부분의 에너지 시스템의 활용과 발전

이러한 기본 원리를 바탕으로 터빈, 제트엔진, 로켓 엔진 등이 구현되었는데, 다양한 열기관 작동 방식은 기본적으로 이러한 열에너지의 팽창에 의한 운동 에너지를 생산하는 방식으로 만들어졌습니다. 

 

이에 따라 대부분의 에너지 시스템은 고온을 발생시키는 연료와 그것을 버틸 수 있는 재료와 구조 및 설계를 발전시키는 쪽으로 발달해 왔습니다. 

 

연료 전지는 팽창에 의한 에너지를 활용하지는 않지만 기본적인 원리는 기존의 시스템과는 크게 다르지 않다고 생각해도 됩니다. 

 

 

전통 역학 기반의 법칙들

우선 전통 역학 기반의 물질 및 에너지 전달을 살펴봐야 합니다. 열기관의 에너지 및 물질 전달은 기본적으로 열역학 법칙들을 기반으로 하고 있습니다. 

 

열역학 제 1법칙은 기본적으로 물질과 에너지의 보존에 관한 법칙이고 열역학 제2법칙은 비가역에 의한 손실을 이해하는데 큰 도움을 줍니다. 

 

1법칙을 바탕으로 질량 보존, 연속 방정식, 운동에너지 보존, 보일러 방정식, 베르누이 방정식, 나비에-스트로크 방정식, 열에너지 보전, 열전달 지배 방정식들이 에너지 및 물질의 흐름을 이해하는 기본 방식입니다. 

 

기존의 방식과는 다른 연료 전지

이러한 열기관들과 달리 연료 전지의 구조를 살펴보면 기본적으로 수소와 산소의 전기 화학반응을 통한 전기 에너지를 생성하는 구조로 되어 있고, 단일 셀 안에는 낮은 전력을 스택 구조로 여러 장을 겹쳐서 높은 전력을 발생시키는 형태로 구성합니다. 

 

수소와 산소를 통해 전기를 발생시키는 기본 셀 내부를 보면 수소와 산소가 흐르는 유로, 그리고 반응층에 도달하기 이전 가스 확산층 등 여러 가지 분자 및 이온 수송까지 하게 됩니다. 

 

에너지 생성은 열에 의한 압력 상승, 그에 따른 팽창을 활용해 왔던 것 대신 촉매를 통한 전기화학 반응을 통해 연료가 바로 전기에너지로 변환됩니다. 따라서 촉매 반응을 통한 전자의 이동 및 이온의 전달과 확산이 매우 중요합니다. 또한 수소 연료 전지의 경우 수소 가스 내부 유로를 통하여 GDL 확산층을 경유하며 촉매층까지 전달되어야 합니다. 

 

종합해보자면 거시 유동, 마이크로 유동에서 분자 유동까지 다양한 스케일의 물질 전달 과정을 거치며 직접 연료가 되어 전기에너지를 생산하는 것이라고 할 수 있습니다.