연료전지

연료전지란

연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 얻는 발전장치다.

연료를 태우지 않으므로 연소 과정이 없다. 전극에서 반응이 일어나 전기가 흐른다.

반응의 부산물은 물과 열이다. 그래서 전기와 열을 함께 얻는다.

구성 요소

연료전지는 스택, 연료개질기, 인버터, 열회수 장치로 구성된다.

스택에서 전기화학 반응이 일어나 직류 전기와 물, 열이 생긴다. 인버터는 직류를 교류로 바꾼다.

열회수 장치는 폐열로 개질기를 예열하거나 난방과 급탕에 쓴다.

전기화학 반응 원리

연료극에서는 수소가 수소이온과 전자로 산화된다.

공기극에서는 산소가 전자를 받아 환원되어 물이 생성된다.

전해질은 이온만 통과시키고 전자는 막는다. 전자는 외부 회로를 지나 전류가 된다.

두 반응을 합치면 수소와 산소가 물로 바뀌며 전기와 열이 나온다.

전해질에 따른 방식

앞 문제의 정답은 산화다. 연료극에서 수소는 전자를 잃는다.

연료전지는 전해질의 종류에 따라 작동 온도와 용도가 달라진다.

건물 기계실에 적용되는 방식은 주로 PAFC, PEMFC, SOFC다. MCFC는 대용량 발전에 쓰인다.

저온형은 기동이 빠르지만 일산화탄소에 약하다. 고온형은 배열 활용 폭이 넓다.

열병합 종합효율

열병합 시스템의 종합 효율은 발전 출력과 회수 열량을 더해 연료 투입열량으로 나눈다.

가정한 값은 연료 투입열량 100 kW, 발전 출력 40 kW, 회수 열량 40 kW다.

대입하면 종합 효율은 80%가 된다. 단위가 모두 kW로 통일되어 상쇄된다.

발전 효율만 보면 40%다. 열 회수가 종합 효율을 크게 끌어올린다.

헷갈리는 점과 정리

연료전지는 정의, 구성, 종류를 묻는 문제가 여러 교시에 걸쳐 반복 출제된다.

연료전지를 이차전지와 같은 개념으로 쓰면 안 된다. 연료가 공급되는 동안만 발전한다.

열병합을 설명할 때는 열 수요가 없는 건물에서 열 회수 효과를 과장하면 안 된다.

정리하면 연료전지는 연소 없이 전기와 열을 함께 얻는 장치다.