연료전지 발전 원리와 종류

정의

연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 얻는 장치다.

화염 없이 화학에너지를 전기에너지로 직접 바꾼다.

연료가 공급되는 동안 연속으로 발전이 이어진다.

구성과 흐름

연료전지는 개질기, 스택, 전력변환장치, 열회수장치로 구성된다.

개질기는 천연가스 등에서 수소를 뽑아내고, 스택은 직류를 만든다.

전력변환장치는 직류를 계통에 맞는 교류로 바꾼다.

스택의 배열은 열회수장치로 회수해 온수와 난방에 쓴다.

전극 반응

연료극에서는 수소가 산화되어 전자를 내놓는다.

공기극에서는 산소가 전자를 받아 환원되고, 물이 생성된다.

두 반응을 합치면 수소와 산소가 물이 되는 전체 반응이 된다.

연소와 생성물은 같지만 화염 없이 전기와 열이 나온다.

예시 계산

가상의 인산형 연료전지 설비로 계산해 보자.

연료 입력 1,000kW, 전기 출력 400kW, 회수 열량 450kW다.

발전 효율은 전기 출력을 연료 입력으로 나눠 40%가 된다.

종합 효율은 전기 출력과 회수 열량을 더해 연료 입력으로 나눠 85%다.

답안에는 발전 효율과 종합 효율을 구분해 쓴다.

전해질별 비교와 실수

전해질의 종류가 작동 온도와 이동하는 이온을 결정한다.

인산형은 중저온, 용융탄산염형은 고온, 고체산화물형은 가장 높은 고온에서 작동한다.

연료전지를 재생에너지로 단정하는 것이 가장 많이 틀리는 부분이다. 사용 연료에 따라 분류가 달라진다.

효율은 열효율 하나로만 쓰지 말고, 열병합 운전 시 종합효율을 함께 쓴다.

정리와 직접 풀기

정리하면 연료전지는 수소의 화학에너지를 전기로 직접 바꾸는 장치다.

전해질 종류에 따라 작동 온도와 용도가 달라진다. 직접 풀어 보자.

정답 확인

정답은 PEMFC다. 고분자 전해질막을 써서 상온에서 기동이 빠르다.

시험에서는 전해질별 작동 온도와 연료 종류를 함께 쓰면 점수가 높다.