[1] 연료전지의 이해

◈ 연료전지란

- 연료의 산화(酸化)에 의해서 생기는 화학에너지를 전기화학반응을 통해 직접 전기

에너지로 변환시키는 전지
ㆍ수소 연료전지의 이론상 에너지 변환효율은 83%로 높음

- 수소와 산소가 가지는에너지를 연소반응이 아닌 전기화학반응을 통해 직접 전기

에너지의형태로 채취
ㆍ물을 전기분해하면 수소와 산소를 얻을 수 있으며, 전기분해 時 사용된 전기에너

지는 수소분자와 산소분자에 내부에너지로서 보존됨.
ㆍ수소와 산소를 시험관에 넣고 연소시키면 열이 발생하면서 다시 물이 되는데,

이것은전기분해에 사용된 에너지가 열이 되어 주변으로 해방되기 때문에 일어

나는 것임.

※ 연료전지는 화학전지와 구조는 같으나, 연료를 공급하고 있는 한 계속해서 발전

하는「발전기」라는 점이 화학전지와 차이

◈ 연료전지의 구조 및 발전원리

- 연료중 수소와 공기중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전

① Separator에 새겨진 틈을 통해 수소를 연료극에 전달 →

② 연료극(양극)에 공급된 수소는 촉매 힘으로 수소이온과 전자로 분리 →

③ 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해

공기극으로 이동(이 때 전기를 얻을 수 있음) →

④ 공기극(음극)쪽에서 다시 수소이온과 전자가 만나, 산소이온과 합체하여

반응생성물(물) 생성 ⇒

최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열 생성

- 연료전지 발전시스템 구성

ㆍ개질기(Reformer) ;
연료인 천연가스, 메탄올, 석탄,석유등을 수소가 많은 연료변환시키는 장치

ㆍ단위전지 (Unit Cell);
연료전지 단위전지(Cell)는 기본적으로 전해질이 함유된 전해질 판, 연료극

(anode),공기극(cathode)

ㆍ이들을 분리하는 분리판 등으로 구성 ;
이 단위전지(Cell)에서 전류를 인출하는 경우 통상 0.6∼0.8V의 낮은 전압이

생성

ㆍ스택(Stack) ;
원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린

본체

ㆍ전력변환기(Inverter) ;
연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는

장치

◈ 특징 및 시스템 구성

- 발전효율이 40∼60 % 이며, 열병합발전시 80% 이상 가능

- 천연가스, 메탄올, 석탄가스 등 다양한 연료사용 가능

- 환경공해 감소 : 배기가스중 NOx, SOx 및 분진이 거의 없으며, CO2 발생량에 있어

서도미분탄 화력발전에 비하여 20∼40% 감소

- 회전부위가 없어 소음이 없으며, 기존 화력발전과 같은 다량의 냉각수 불필요

- 도심부근 설치가능하여 송배전시의 설비 및 전력 손실 적음

- 부하 변동에 따라서신속히 반응하며, 설치 형태에 따라서 현지 설치용, 분산

배치형,중앙집중형 등의 다양한 용도 사용 가능

◈ 높은 이론효율

- 1mol의 수소 분자(H2)와 1/2mol의 산소분자(O2)를 반응(연소)시키면, 286kJ의

열이발생함(25℃의 경우).
ㆍ연료전지의 반응식과 연소의 반응식은 완전히 동일하지만, 얻을 수 있는 에너지

는 다름
ㆍ화학 반응의 전후에는 Entropy의 증가분이 반드시 열 에너지로서 소비가 되기

때문에,연료전지가 전기에너지로서 얻을 수 있는 에너지는 연소로 얻을 수 있는

에너지보다Entropy의 손실분만큼 적은 237kJ임

※ 이와 같은 에너지를 Gibbs의 자유에너지(ΔG)라 하고, ΔG = ΔH-TΔS로 표시함.
ΔH는 Entropy변화로 연소에너지에 상당함. ΔS는 Entropy변화, T는 절대온도임

- 따라서, 수소 연료전지의 이론 효율은 237 ÷ 286 = 83%임
ㆍ수소 이외의 연료 중에는 이론 효율이 90%를 넘는 것도 많으며 (아래표 참조),
일반적으로 반응 온도가 높을수록 효율은 높아짐

각종 연료전지의 이론효율과 기전력(起電力)

<츨처> 고분자연료전지연구단 外 관련 웹 사이트

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