연료전지 발전원리와 종류

정의

연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학 반응으로 직접 전기에너지로 바꾸는 장치다.

연소 과정을 거치지 않으므로 연료가 공급되는 동안 계속 전기를 만든다.

배터리와 달리 반응물을 바깥에서 계속 넣고 생성물을 밖으로 뺀다.

발전 원리

연료극에서는 수소가 산화되어 전자와 수소이온을 만든다.

전해질은 이온만 통과시켜 공기극으로 보낸다. 전자는 외부 회로를 지나 부하에 일을 한다.

공기극에서는 산소가 전자와 결합해 환원되고, 이온과 만나 물이 된다.

전체 반응은 물이 생기는 반응이며, 부산물은 주로 물과 열이다.

구성요소

셀은 연료극, 전해질, 공기극으로 이루어진다. 이 셀을 여러 개 쌓은 것이 스택이다.

고분자 전해질형에서는 막-전극 접합체가 반응이 일어나는 핵심부다.

분리판은 가스를 촉매에 나눠 주고, 생성된 물을 빼내며, 전류를 모은다.

셀 전압은 약 1V라서 셀을 쌓은 스택으로 필요한 전압을 얻는다.

스택 주변에는 연료·공기 공급, 열·물 관리, 전력 변환, 제어 장치가 붙는다.

종류별 특징

연료전지는 전해질 종류와 작동온도로 나눈다. 전해질에 따라 이동하는 이온이 달라진다.

작동온도가 낮을수록 시동이 빨라 가정용과 차량용에 쓰기 쉽다.

작동온도가 높으면 폐열을 회수해 열병합에 유리하지만, 재료 부식과 시동 시간이 문제다.

저온형, 중온형, 고온형으로 묶으면 기억하기 쉽다. PEMFC는 자동차용에, MCFC와 SOFC는 대형 발전에 쓰인다.

이론 기전력과 효율

이론 기전력은 깁스 자유에너지 변화로 구하는 셀 한 개의 전압이다.

여기서 n은 전자 몰수이고, 수소 1몰당 2다. F는 패러데이 상수다.

수소와 산소가 물을 만드는 반응에서 ΔG는 -237.129 kJ/mol이다.

이론 효율은 ΔG를 ΔH로 나눈 값이며 열역학적 상한이다.

실제 셀 전압은 손실 때문에 이보다 낮다. 실제 발전 효율은 40~60% 수준이다.

시험 포인트

흔한 실수는 연료전지를 축전지처럼 설명하는 것이다. 연료전지는 충전 없이 발전한다.

작동온도 구분을 빠뜨리지 않는다. 온도에 따라 전하 운반체가 달라진다는 점을 함께 쓴다.

장점만 나열하면 감점된다. 고가, 촉매 피독, 열 충격, 수소 인프라의 한계도 함께 쓴다.

직접 풀어 보자.

정답은 일산화탄소다. 그래서 저온형 연료전지에는 고순도 수소가 필요하다.