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무공해 연료전지 만들기 목록

조회 : 19236 | 2005-01-10

1. 실험 목적
석유가 바닥난다? 석유 전문가들은 앞으로 수십년 후에는 석유가 고갈될 것으로 예측한다. 전세계는 석유 이후의 시대를 대비하며 대체에너지 개발에 막대한 개발비를 투자하고 있다. 인류는 저비용 고효율 그리고 환경친화적인 에너지를 개발할 수 있을까? 연구 중인 한 가지 방법이 수소를 이용하는 것이다. 오늘은 수소를 연료로 하는 간단한 연료전지를 만들어 보자.








2. 실험준비물
필름통, 나사못, 키친 타올, 활성탄(granule type), sealing tape, 직류전원장치, 발광 다이오드, 황산나트륨 수용액








3. 실험방법
① 황산나트륨 수용액에 담궈 둔 활성탄을 필름통에 절반 정도 꾹꾹 눌러 담는다
② 키친 타올(7cm×7cm)을 두 번 접어서 활성탄을 완전히 덮을 수 있도록 넣는다
③ 키친 타올이 찢어지지 않도록 주의하면서, 그 위에 ①의 활성탄을 입구(경계선)까지 눌러 담는다.
④ 뚜껑 안쪽까지 활성탄을 넣고 입구를 막는다.
⑤ 뚜껑을 덮은 필름통을 sealing tape를 사용하여 틈이 없도록 막아준다.
⑥ 필름통의 측면에 키친 타올을 경계로 전, 후에 가열한 송곳으로 구멍을 뚫어주고 나사못을 끼운다.
⑦ (+), (-) 전극을 결정하여 필름통에 표시한다.
⑧ 직류전원장치(10V, 30초 정도)를 이용하여 전극에 전류를 흘려준다. 연료전지 완성!
⑨ 발광 다이오드, 모터, 멜로디 키트 등을 전지에 연결해보자.







4. 실험 속 과학원리
1) 연료전지란?
연료(수소와 산소)가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 고효율의 무공해 발전장치로 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산한다.


연료전지에서 연료로 사용하는 수소와 산소는 어떻게 만들어졌을까?
황산나트륨 수용액을 전기분해하여 얻어진다.
양이온 :
음이온 :


키친 타올이 하는 역할은 무엇일까?
연료가 되는 수소와 산소를 모은 후 반응물질간의 직접 반응으로 전자가 도선을 따라 이동하지 않고 직접 이동하는 것을 막아 전지로써의 역할을 할 수 있도록 한다. 일종의 염다리와 같은 역할을 수행한다고 볼 수 있다.










2) 연료전지의 장점
- 저공해 고효율 에너지원이다 : NOx, SOx 등 유해 가스 배출 1%이하이며 효율 50%이상으로 다른 발전기관의 두 배 가까이 된다
- 차세대 에너지원이다 : 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 대체에너지를 이용하여 발전이 가능하다
- 새로운 시장 잠재력 : 금속, 전기, 전자, 기계 및 제어 산업과 부수적인 장치를 공급하는 새로운 시장을 창출할 수 있다





3) 연료전지의 역사
고대 그리스인들은 호박이 가벼운 물체를 끌어당기는 신기한 현상을 목격하고 이를 기록으로 남겼다. 이것은 17세기에 이르러 전기현상의 일종이라는 사실로 규명되었다. 바로 이것이 전기의 가장 시초 형태인 것이다. 이후 전기학은 발전을 거듭하여 1745년에 독일의 클라이스트와 네덜란드의 무센브로크가 축전기를 발명하는 성과를 거두었다.

이렇듯 전기를 보다 유용하게 사용하려는 연구가 활발히 진행되어, 19세기에는 전기를 발생시키거나 비축하는 기본 방법이 정립되기에 이르렀다. 그리고 전기에 대한 새로운 도전으로 이어졌는데, 그것이 바로 연료 전지에 대한 연구이다. 이 연구는 1959년이 되어서야 성공하였는데, 이 오랜 연구를 성공으로 이끈 사람이 바로 영국인 프란시스 베이컨이다.





1932년의 어느 날이었다. 프란시스 베이컨은 한 연구논문을 주의 깊게 읽고 있었다. 그 논문은 영국인 과학자인 그로브의 것으로 '역전의 전기 분해'에 관한 것이었다. 역전의 전기 분해란, 수소 가스와 산소 가스를 상호 작용시켜서 전류를 발생시키는 작용으로서 험프리 데이비의 전기 분해 실험을 거꾸로 적용시킨 것이었다.

"흠, 이런 이론이 90년 동안이나 잠자고 있었다니 정말 놀라운 일이야!"베이컨은 책을 덮은 뒤에도 계속 탄성을 내지르고 있었다.
"그로브의 실험에서는 전기 발생량이 너무 미약했어. 하지만 만약 실용적인 양의 전기가 발생된다면?" 그는 갑자기 자리에서 벌떡 일어났다.
"그래 맞아! 바로 그거야. 이 원리를 이용하면 훌륭한 연료 전지를 만들어낼 수 있어." 당시, 발명가들은 연료 전지의 개발이 시급함을 깨닫고 연구에 주력하였으나 그다지 큰 성과를 거두지 못한 상태였다. 베이컨 또한 연료 전지가 산업에 미칠 발전적 영향에 대해 잘 알고 있었다.
"그래, 무엇보다도 이 연구가 우선되어야 한다. 성공하게 되면 엄청난 산업적 이익이 생겨나게 될 거야."






그는 곧바로 연구에 착수했다. 하지만 결코 서두르지 않았다. 계획을 다시 수정하고 보완하면서 아주 신중하게 연구에 임했다. 그는 모든 일을 뒤로 미루고 오직 연료 전지를 만드는 데 전념하였다. 그러나 그의 이런 헌신적인 노력에도 불구하고 연구는 조금도 진전이 되지 않았다. 1년이 지나고 10년이 지나고 계속 시간이 흘러갔다. 친구들은 모두 안타까워하며 베이컨을 만류했다. 연구를 시작하기 전의 베이컨의 젊었던 모습은 이미 사라지고 없었다. 그의 얼굴은 고된 연구로 인해서 깊은 주름살이 패어 있었다. 베이컨은 낮은 목소리로 조용히 말했다. 그 목소리엔 알 수 없는 힘이 배어 있었다. "걱정하지 말게. 반드시 성공할 테니까. 이 연구로 20년을 보냈으니, 하느님도 내 정성을 아실 거야."

베이컨은 또다시 연구실에 틀어박혀 연구에만 전념했다. 그 뒤로도 일곱 번의 여름과 겨울이 지나갔다. 그러던 1959년의 어느 날이었다. 베이컨의 연구실에서 희망에 찬 탄성이 터져 나왔다. 그는 연구를 시작한 지 27년 만에 연구의 실마리를 잡은 것이었다.




그는 40%의 수산화칼륨(KOH) 용액에 높은 온도와 압력을 가하여서 산소를 발생시키고, 여기에다 수소 가스를 화합시켰다. 그 결과, 24볼트의 전류 5킬로와트를 얻을 수 있었다. 이것은 나무를 베는 전기톱이나 용접기계를 움직이기에 충분한 전력량이었다.

모든 사람들이 이 결과를 찬양하고 나섰다. 그러나 베이컨은 여기서 만족하지 않았다. 그는 전지의 효율을 좀더 높이기로 결심하고 연구에 더욱 박차를 가했다. 그리하여 마침내 전지의 효율을 80퍼센트까지 끌어올리게 되었다.

"연료 전지 이야기 들었어?" "베이컨이 만든 그것 말이지? 1파운드의 가스가 만드는 전력량과 맞먹는다더라, 믿을 수 있겠어?"





베이컨의 연료 전지 발명 소식은 금방 전세계로 퍼져나갔다. 미국의 제너럴 일렉트릭 사를 비롯한 여러 기업에서 이 연료 전지를 실용화할 계획을 세웠다. 그리하여 연료 전지를 이용한 자동차 등이 생산되기에 이르렀다.

이후에도 연료 전지는 여러 방면에서 계속 활용되었다. 특히 연료 전지는 수은 전지보다 가볍기 때문에 장기간 여행을 하는 우주선에 적합하다고 판명되었다. 그래서 처음으로 제미니 5호에 사용되기도 하였다. 베이컨은 위대한 발명가로 널리 알려지게 되었다. 그가 연료 전지로 인해 얻은 부와 명예는 실로 대단한 것이었다. 그것은 그가 27년 동안 쏟아 부은 노력의 대가였다.
< 내용출처 http://www.chongju-e.ac.kr/~redsky/e6.htm >









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