연료전지

연료전지란

연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학 반응으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치다.

연소 과정이 없어 열기관의 카르노 사이클 제약을 받지 않는다.

연료를 계속 공급하면 재충전 없이 연속해서 발전할 수 있다.

시스템 구성

연료전지는 스택, BOP, 인버터의 세 부분으로 구성된다.

스택은 전극과 전해질, 분리판이 쌓인 셀의 묶음으로 전기화학 반응이 일어나는 곳이다.

BOP는 연료 공급과 개질, 열 회수를 맡고 인버터는 직류를 교류로 바꾼다.

셀 한 개의 전압이 낮아 여러 셀을 직렬로 쌓아 원하는 전압을 얻는다.

전극 반응

연료극에서는 수소가 전자를 내놓고 수소이온이 된다.

수소이온은 전해질을 통과하고, 전자는 외부 회로를 흘러 전류가 된다.

공기극에서는 산소, 수소이온, 전자가 만나 물이 생성된다.

수소 한 분자가 내놓는 전자 수가 핵심이다. 직접 구해 보자.

작동 온도별 종류

연료전지는 전해질의 종류에 따라 나뉘며, 전해질이 작동 온도를 결정한다.

저온형은 AFC와 PEMFC로 약 60~90℃에서 작동하고, 중온형 PAFC는 약 200℃ 내외다.

고온형은 MCFC와 SOFC로, MCFC는 약 650℃, SOFC는 약 800~1,000℃에서 작동한다.

온도가 높을수록 촉매 의존도가 낮아지고 연료 유연성이 커지지만, 재료 열화와 기동 시간 문제가 커진다.

계산 예제

이론 효율은 깁스 자유에너지 변화를 엔탈피 변화로 나눈 값으로 구한다.

수소 산화 반응은 ΔG가 약 −237kJ/mol, ΔH가 약 −286kJ/mol로 알려져 있다.

이 값으로 이론 효율을 계산해 보자. 실제 셀 효율은 전압 손실 때문에 이보다 낮다.

장단점과 소방 관점

연료전지의 장점은 발전 효율이 높고 연소가 없어 대기오염물질 배출이 적다는 것이다.

단점은 촉매 가격이 높고, 고온형은 재료 열화와 기동 시간이 길다는 것이다.

또 수소 저장·운송 인프라가 부족하며, 황 등 촉매 피독 물질도 제거해야 한다.

소방 관점에서는 수소의 누설 감지와 환기가 핵심이다. 연소 반응으로 쓰면 감점된다.

정리

연료전지는 연소 없이 전기화학 반응으로 전기를 만드는 장치다.

구성과 종류, 장단점과 소방 관점을 함께 기억해 두자.