연료전지 설명

연료전지란

연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학 반응으로 직접 전기에너지로 바꾸는 발전장치다.

연소 과정을 거치지 않아 열기관의 카르노 효율 한계를 받지 않는다.

도시의 수요지 가까이 설치할 수 있어 분산형 전원으로 주목받는다.

셀의 구조와 반응

한 개의 셀은 연료극, 전해질, 공기극으로 이루어진다.

수소는 연료극에서 산화되고 수소이온은 전해질을 지나 공기극으로 간다.

전해질이 이온만 통과시켜 전자는 외부 회로를 거쳐 전류가 된다.

공기극에서 산소가 환원되어 물이 생성된다. 셀 하나의 전압은 낮아 스택으로 쌓는다.

전해질별 종류

연료전지는 전해질 종류에 따라 작동 온도, 사용 연료, 효율, 용도가 달라진다.

고분자전해질형은 약 80℃에서 작동하며 백금 촉매를 쓴다.

용융탄산염형과 고체산화물형은 고온형으로 분류된다.

고온형은 백금 없이 운전할 수 있다. 고온에서는 값싼 금속 촉매로도 반응이 충분하다.

백금 촉매와 피독

정답은 고체산화물형이다. 백금 없이 운전할 수 있는 고온형이다.

백금은 산소 환원 반응을 빠르게 하는 촉매로 저온형 전극에 쓰인다.

피독은 일산화탄소나 황화물이 백금 표면에 흡착해 활성점을 막는 현상이다.

피독이 누적되면 전압이 떨어지고 출력이 감소한다.

그래서 개질 전에 탈황기로 황 화합물을 제거한다.

수소 생산과 과제

현재 수소 생산은 대부분 천연가스 개질 방식으로 이루어진다.

개질 수소는 이산화탄소를 배출하고, 수전해 수소는 전력 소모가 크다.

생산원가는 개질이 1kg당 720~1,567원, 수전해가 2,424~7,273원이다.

두 방식의 최저값끼리 비교해도 수전해 수소가 훨씬 비싸다.

그래서 잉여 재생에너지로 수전해 전력 원가를 낮추는 것이 핵심 과제다.

정리와 확인 문제

지금까지 연료전지의 원리와 전해질별 특징을 정리한다.

연료전지는 전기화학 반응으로 직접 전기를 만들며 백금 촉매와 피독이 핵심이다.

수소 생산은 개질과 수전해가 있으며 원가와 이산화탄소가 쟁점이다.

시험에서는 구성, 전해질 분류, 피독, 수소 생산 문제가 자주 나온다.