연료전지

왜 배우는가: 연료전지는 신·재생에너지 중 수소의 화학에너지를 직접 전기로 바꾸는 장치로, 분산형 발전과 건물용 열병합의 핵심 설비다. 전해질 종류에 따라 작동 온도와 용도가 달라 기술사 시험에서 원리와 종류 비교를 함께 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제128회 4교시 4번, 제123회 2교시 5번, 제120회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 화학에너지를 전기에너지로 직접 바꾸며, 연료가 공급되는 동안 지속적으로 발전하는 장치다.

키워드

• 연료전지(Fuel Cell)
• 전기화학 반응
• 전해질
• 스택(Stack)
• 개질기(Reformer)
• 전해질 종류별 분류
• 분산형 전원
• 열병합 발전(CHP)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 연료전지는 수소를 태우지 않고 전기를 만드는 장치다. 수소와 산소가 만나 물이 되는 반응을 전극에서 조용히 일어나게 하고, 그때 나오는 전자를 외부 회로로 보내 전기를 얻는다.

정식 정의는 다음과 같다. 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 화학적 에너지로부터 전기에너지를 발생시키는 장치다. 이 반응은 촉매층 안에서 촉매의 도움으로 일어나며, 일반적으로 연료가 계속 공급되는 한 발전이 지속된다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

연료극(Anode)은 연료가 산화되어 전자를 내놓는 전극이다. 수소가 공급되는 쪽이다.

공기극(Cathode)은 산소가 환원되어 전자를 받는 전극이다. 공기가 공급되는 쪽이다.

전해질(Electrolyte)은 이온만 통과시키고 전자는 막는 층이다. 전해질의 종류가 연료전지의 이름과 작동 온도를 결정한다.

스택(Stack)은 단위 셀을 여러 장 쌓아 전압과 출력을 키운 본체다. 개질기에서 들어온 수소와 공기 중 산소로 직류 전기, 물, 열을 발생시킨다.

수소-산소 연료전지의 반응식은 다음과 같다. 연료극에서는 $2\mathrm{H_2} + 4\mathrm{OH^-} \rightarrow 4\mathrm{H_2O} + 4e^-$ 이고, 공기극에서는 $\mathrm{O_2} + 2\mathrm{H_2O} + 4e^- \rightarrow 4\mathrm{OH^-}$ 이다. 전체 반응은 $2\mathrm{H_2} + \mathrm{O_2} \rightarrow 2\mathrm{H_2O}$ 로 연소와 같은 생성물을 내지만, 화염 없이 전기와 열이 나온다.

3. 등장 배경과 필요성

연료전지는 1960년대 우주 왕복선의 동력원으로 실용화되었다. 우주에서는 전기와 함께 생성되는 물을 식수로 쓸 수 있어 적합했다. 이후 지상용으로 옮겨 오면서 환경 문제와 에너지 안보가 주요 동기가 되었다.

기존 화력발전은 연소 과정에서 질소산화물, 황산화물, 미세먼지를 배출하고 열기관의 카르노 효율 한계를 받는다. 연료전지는 연소를 거치지 않으므로 이런 한계를 크게 줄일 수 있다. 그래서 발전 효율을 높이고 공해 물질 배출을 줄이는 대안으로 주목받았다.