연료전지

왜 배우는가: 연료전지는 건물 기계실에 설치되는 분산형 신재생·신에너지 설비로, 전기와 열을 함께 얻는 열병합 시스템의 핵심이다. 건축기계설비 실무에서 설비 선정과 기계실 배치를 결정하는 요소이며, 정의·구성·종류를 묻는 문제가 여러 교시에 걸쳐 반복 출제되므로 기본 원리를 정확히 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제136회 2교시 4번, 제130회 3교시 2번, 제126회 4교시 6번, 제125회 4교시 6번, 제121회 2교시 4번, 제97회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 발전장치이다.

핵심 키워드

• 전기화학 반응
• 스택(Stack)
• 개질기(Fuel reformer)
• 전해질
• 열병합발전(CHP)
• 분산형 전원
• 발전효율
• 수소(H2)와 산소(O2)의 반응

연료전지는 Fuel Cell이라고 쓴다. 답안에서 연료전지를 설명할 때는 연소 과정이 없다는 점과 전기와 열이 동시에 나온다는 점을 함께 쓴다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 연료전지는 연료를 태우지 않고 전기를 만드는 장치다. 연료인 수소를 한쪽 전극에, 공기 중의 산소를 다른 쪽 전극에 계속 공급하면 두 물질이 전기화학적으로 반응해 전기가 흐른다. 반응의 부산물은 물과 열이다. 이 점이 연료를 연소시켜 터빈을 돌리는 기존 화력발전과 다르다.

정식 정의는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치다. 화학 반응은 촉매층에서 촉매의 작용으로 일어나며, 연료가 계속 공급되는 한 발전이 지속된다. 일반 전지는 전극 물질이 소모되면 충전하거나 교체해야 하지만, 연료전지는 연료와 산화제를 외부에서 공급하므로 전지 자체는 소모되지 않는다.

전기화학 반응은 연료의 산화와 산화제의 환원이 전극에서 나누어 일어나는 반응을 뜻한다. 수소극에서는 수소가 수소이온과 전자로 산화되고, 공기극에서는 산소가 전자를 받아 환원되어 물이 생성된다. 전자가 외부 회로를 지나며 전류가 된다.

전해질은 이온만 통과시키고 전자는 막는 매개체다. 전해질의 종류에 따라 작동 온도와 종류가 정해지므로 답안에서 종류를 나눌 때 기준이 된다.

스택(Stack)은 전극과 전해질, 분리판으로 구성된 셀을 여러 장 적층한 본체다. 셀 한 장의 전압은 낮으므로 셀을 쌓아 원하는 전압과 전류를 얻는다. 연료전지의 발전 용량은 스택의 크기와 셀 수로 결정된다.

개질기(Fuel reformer)는 도시가스나 LNG 같은 탄화수소계 연료에서 수소가 많은 가스를 만드는 장치다. 수소를 직접 공급하기 어려운 건물용 시스템에서 필요하다.

3. 등장 배경과 필요성

화석연료를 연소하는 발전은 열에너지를 기계적 에너지로 바꾸는 과정에서 손실이 생긴다. 연료전지는 이 과정을 생략하고 화학에너지를 바로 전기로 바꾸므로 발전효율이 높다. 그래서 같은 연료로 더 많은 전기를 얻을 수 있고, 연소에 따른 질소산화물과 미세먼지 배출이 거의 없다.

건축 분야에서는 전력 수요가 많은 건물에서 전기와 열을 함께 쓰려는 요구가 커졌다. 연료전지는 발전 과정에서 나오는 열을 난방이나 급탕에 쓸 수 있어 열병합발전 설비로 적합하다. 또 건물 기계실이나 도심 내부에 설치할 수 있어 송전 손실을 줄이는 분산형 전원으로 쓰인다.