연료 전지의 개요

자동차 학습/수소(연료전지)자동차 2020. 9. 25. 08:18 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

연료전지 개요

 연료전지 자동차는 수소를 연료로 사용하는데 아직은 수소 저장 및 운반 기술이 미흡하고, 충전소도 많지 않아서 상용화 되지 못하고 있다. 그럼에도 연구는 활발하게 이루어지고 있다.

 연료전지 전기자동차는 화학적 배터리 대신 작은 발전소에 비유할 수 있는 연료전지를 장착하고 다닌다. 원래 연료 전지는 우주선에 동력을 공급하기 위해 개발되었다. 수소와 산소는 로켓의 연료와 산화제로, 연료 전지에서 생기는 물은 승무원의 음료수로 고안된 것이다.

 환경친화적 특성을 가지면서 소용량에서도 발전효율이 높고 배열의 유효이용에 의해 종합 에너지 효율의 향상이 기대되는 연료전지는 새로운 에너지원이나 결국 천연가스를 연료로 사용하기 때문에 마지막에는 에너지 제로 하우스의 적용은 고려 대상이다.

 연료전지는 수소와 산소의 화학반응 에너지에서 발생한다. 이는 전기분해의 역반응을 이용하는 것이다. 물을 전기분해 할 때는 전도성을 높인 수용액에 전압을 가해 수소와 산소로 만든다. 반대로 연료전지에서는 수소와 산소를 화합해 물을 만들어내는 과정에서 전기를 생산하게 된다. 이때 백금촉매로 도포된 전해질막으로 수소와 산소를 격리해야 한다. 수소는 촉매의 작용으로 이온화하고, 수소에서 분리된 전자는 배선을 통과해 산소 쪽으로 흐른다. 배선의 중간에 모터를 놓으면 전력으로 이용할 수 있게 된다. 수소와 산소가 결합할 때는 저온을 유지하게 되고 60% 이상의 높은 효율을 얻을 수 있다. 최신 화력발전소 효율이 50% 정도라는 것을 감안하면 연료전지는 상당히 경제적인 동력이다. 전해질에 따라 연료전지는 몇 가지 종류로 나누어지는데 전지자동차는 주로 고분자막의 전해질이 사용될 가능성이 높다.

 

1) 연료 전지의 개발과정

연료전지의 역사는 의외로 길어 그 메커니즘의 발전은 의외로 오래 되었다. 연료전지를 처음 만들 사람은 19세기에 활동한 영국의 물리학자이자 화학자인 윌리엄 그로브(1811~1896)이다. 그 계기가 된 것은 물의 전기분해이다. 물의 전기분해란 물에 백금 전극을 넣고 전기를 통하면 물이 분해되어 수소 가스와 산소 가스가 발생하는 것이다. 지금은 중학교에서도 시행하고 있는 보편적 실험이다. 전기 분해는 1800년에 영국의 물리학자 니콜슨(1753~1815) 등에 발견된 이래 연구의 대상이 되고 있다.

 어느 날 물의 전기 분해 실험을 하던 그로브는 어떤 일을 깨닫게 되었다. 실험 장치의 전원을 끄면 전류가 역류하는 것이었다. 그는 이것을 보고 생각했다. ‘물에 전기를 흐르게 하면 수소와 산소로 분해된다. 그렇다면 수소와 산소를 합하면 전기를 발생시킬 수 있는 것이 아닌가?’

그로브는 곧바로 물의 전기 분해를 끝낸 상태의 실험 장치(이것이 연료전지의 원형이고, 시험관 안에 수소 가스와 산소 가스가 저장되어 있었다) 4개 준비해서 그것들을 직렬로 연결했다. 그리고 이들이 만들어 내는 전기를 써서 다른 장치에 들어 있는 물을 전기 분해해 보였다. 이것이 인류 최초의 연료전지의 실증 시험이다.

그는 이 결과를 논문으로 정리하고 전통 있는 영국의 과학잡지 <플로소피컬 매거진> 1839 2월호에 발표하였다. 그러나 그로브의 발명도 증기기관에 가려 별로 빛을 보지 못하고 100년 이상 잊어지고 있었다.

그로브의 발명으로부터 약 100년 뒤 마침내 연료전지의 실용화 연구하는 인물이 나타났다. 영국 케임브리지 대학교의 베이컨(1904~1992)이다. 1930년에 연구를 시작한 베이컨은 전해질로 알카리성인 수산화칼륨을 사용하는 연료전지를 개발하고 1952년에 특허를 얻었다. 이 유형의 연료전지는 알카리성 연료전지라고 불린다. 1959년에 5킬로와트의 출력을 가지는 연료전지를 완성했다.

한편 미국의 GE사도 1950년대에 연료전지를 개발했다. 전해질에 수지(고분자)로 만든 막을 쓴 GE사의 연료전지는 고체 고분자형 연료전지(PEFC)’라 불리는 유형이다. 출력은 1킬로와트이면서 알카리형 연료전지보다 작았다.

연료전지의 실용화는 우주에서 시작되었다. 1965 NASA의 유인 우주선 제미니 5호에 통신기기나 컴퓨터의 전원으로 GE사의 연료전지가 실린 것이다. 우주라는 한정된 공간에서는 더욱 작고 고출력의 전원 장치가 요구된다. 태양전지 등 여러 후보 가운데 NASA가 선택한 것은 연료전지이다. 부피당 발전량이 크고 연료전지의 부산물로 생기는 물을 승무원의 음료수로 이용할 수 있기 때문이다.

1969년에 인류 최초의 달에 착륙한 아폴로 11호도 연료전지를 싣고 있었다. 아폴로 우주선에 실린 것은 GE사의 것보다 출력이 높은 알카리형 연료전지였다. 영화(아폴로 13)에서도 묘사된 것처럼 1970년에 아폴로 13호가 운항 중에 가스 누출 사고로 전력을 절약해야 할 위기에 몰린 것도 수소와 산소로 발전하는 연료전지를 쓰고 있었기 때문이다.

열카리형 연료전지는 우주왕복선에도 실려 선내의 전기와 음료수를 공급하는 원천으로 활용된다. 단 알카리형 연료전지는 수소와 산소 모두 고 순도의 것을 사용할 필요가 있다는 점 등에서 우주 개발 이외의 분야에서는 거의 실용화 되지 않고 있다.

우주 개발 분야에서 성능과 청정성을 증명한 연료전지에 세계 기술자들의 시선이 집중되었다. 현재까지 많은 연구 개발 작업이 이루어지고 다양한 연료전지가 등장했다.

초기 연구를 통해 꾸준한 발전이 이루어져 1952 5kW급의 연료전지 발전소가 세워지게 되었고, 때마침 불어 닥친 우주개발 붐에 힘입어 우주선의 에너지원으로 개발되어 1960년대 초 Gemini 우주선에 탑재됨으로써 상업적인 이용을 목표로 한 연구가 시작되었다.

 1970년대의 유류 파동을 겪으면서, 그 동안 특수 상황에서 사용할 목적으로 개발, 연구되어 왔던 경우에서 벗어나 화력 발전을 대체할 대체 에너지원으로까지 주목 받게 되었다. 지상에서의 연료전지 실용화는 1970년대에 미국에서 시작되어 호텔이나 병원의 발전기로 도입되기 시작했다. 1994년에 다임러 벤츠사가 연료전지를 자동차를 출시하였다.

 독일의 다이뮤러 벤츠사는 계속해서 개발하고 있는데 모두 고압수소 봄베(bombe)에 수소를 충전하는 타입으로 차량도 대형차에 국한 되어 있다. 때문에 벤츠에서는 캐나다의 발라드 파워시스템과 공동으로 신형 연료전지를 개발하여 이것을 내장한 소형자동차의 실험차를 공개하였다. 실험자동차에서는 새로 개발한 메탄올에서 수소를 만드는 전환시스템도 도입하여 수소보다도 취급이 용이한 메탄올을 충전함으로써 편리성을 향상 시켰다.

 도요타 자동차 개발한 연료전지 자동차의 수소 저장에는 새로 개발된 수소흡장 합금을 채용하고 있으며 100 kg의 합금으로 2 kg( 2 5000리터)의 수소를 저장할 수 있게 되어 있다. 96년에 발매한 니켈수소전지 탑재 전기 자동차에 탑재한 시험제작 자동차는 정격출력 20 kW, 최고시속 100 km 이상, 1회 충전 주행거리 약 250 km를 달성하고 있다.

 지금은 대규모 및 소규모 발전시스템, 그리고 전기 자동차용 동력, 휴대용 전원으로까지 다양한 분야의 연구가 확장되고 있다.

 

1. 연료전지의 개발 과정

년 도

특 징

1839

William R. Grove(영국)  - 개념 발명

1959

F.T. Bacon(영국)  - 5 kW 수소/산소 연료전지 실증시험

1960년대

제미니 및 아폴로 계획에 Alkaline Fuel Cell(AFC) 적용 ->상업적 응용

1970년대

PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell) 개발

1980년대

PEMFC(Proton Exchange Mebrane Fuel Cell) 개발

1984년 이후

미국의 DOE(Department of Energy)에서 연료전지에 대한 연구자금 적극적 지원

1990년대

DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)개발, MCFC 발전개시, SOFC 발전소 개발

2012.12

연료전기 하이브리드 차량 출시(Toyota, Honda –리스형태 판매 개시)

2004~2005

휴대용 연료전지(PDA, Laptop, Cellular, Phone ) 출시 예정

2005

가정용 연료전지 출시

2012년 이후

연료전지 자동차 본격 보급 예정

2. 연료 전지의 개요 및 발생원리

 연료전지는 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 전기를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)이다. 종래의 전지와는 달리 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산한다. 간단하게 연료전지는 연료를 전지에 투입하면 전기나 열, 물을 생산하는 전지이다.

 연료전지란 수소와 산소로 물을 만들고 그 과정에서 전기를 생산하는 새로운 발전장치다. 이 원리는 중고등학교에서 배우는 무의 전기 분해의 역반응이다. 연료전지가 보급되면 유한한 화석연료에 의존하는 현대사회에서 무한한 수소를 이용하는 새로운 사회로의 변화가 일어난다.

 산업혁명 이후의 새로운 대변혁이 마침내 일어날지도 모른다. 연료전지는 우리의 생활을 크게 바꾼다. 그 미래의 모습은 이렇다. 휴대전화나 노트북 컴퓨터의 배터리가 연료전지로 바뀐다 생활에 필요한 모든 전력을 한 집에 1대씩 놓인 연료전지가 공급한다. 모든 자동차가 연료전지를 싣고 가격이 폭등하는 화석연료가 아닌 자연 에너지를 이용해 만들어지는 저가의 수소로 달린다.

 그러나 실제로 연료전지에서 전류가 흐르기 시작하면 연료가 공급되는 속도만큼 전지화학반응이 빠르지 않고 구성요소간의 저항이 있을 뿐 아니라 전극에서 연료나 산소의 농도 차이가 생기는 등 여러 요인에 의해 얻을 수 있는 전압이 이상적인 값보다는 낮다. 그래서 현 수준에서 실제효율이 40~50% 정도다. 그러나 이 효율도 화력발전이나 내연기관의 효율보다는 높은 값이다. 결국 연료전지는 기존의 화력발전보다 효율이 높고 질소화합물, 황화합물, 매연 등을 배출하지 않는다. 또한 회전부위가 없어 소음이 적고 모듈화가 가능해 다양한 용량으로의 건설과 증설이 쉽다. 이 밖에 수소, 석탄가스, 천연가스, 매립지 가스, 메탄올, 휘발유 등을 연료로 사용할 수 있으며, 전기에너지와 동시에 열리 발생하므로 폐열을 회수해 지역난방과 온수로 열병합발전도 가능한 다재 다능한 전지이다.

 

전기의 발생원리

 연료전지의 원리에 앞서 전지의 발생원리부터 살펴보도록 하자. 생활에 필요한 전기는 어떻게 얻어 질까? 현대 대부분의 전기는 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 연소시켜 발전하는 화력발전 방식으로 얻어 진다. 이러한 화력발전은 연료의 화학 에너지가 열에너지에서 기계적 에너지로, 여기에서 다시 전기에너지로 변화하는 3단계이 과정을 거쳐 전기를 발생시키는 발전방식이다. 즉 연료의 화학에너지의 연소를 통해 열로 변화시키고, 이를 다시 기계적 터빈 회전력을 통해 전기에너지를 발생시키는 변환과정인 것이다.

 하지만 연료전지는 중간 과정 없이 화학에너지에서 바로 전기에너지로 직접 변환된다. 천연가스나 메탄올 등의 연료에서 얻어낸 수소와 공기 중의 산소를 반응시키면 전기에너지를 직접 얻을 수 있다. 이러한 원리는 물을 전기분해 하면 수소와 산소가 발생된다는 것을 역으로 이용한 것이다. 수소와 산소를 반응시키면 연소반응에 의해 열이 발생하면 물이 되는데 이때 수소와 산소를 직접 반응시키는 대신 연료전지를 통해 전기 화학반응이 일어나게 하면 물과 열 이외에도 전기를 발생시킬 수 있다. 즉 연료전지란 수소 등의 연료가 갖고 있는 화학에너지로부터 전기에너지를 연속적으로 직접 발생시키는 발전장치이다. 연료론 계속 공급하는 한 전기를 계속 발생시킬 수 있기 때문에 일회용인 건전지 사용 후 재충전이 필요한 이차 전지와 달리 연속적인 발전기 또는 에너지 변화기의 역할을 수행한다.

 또한 연료전지는 발생되는 생성물이 물밖에 없어 무공해 산물의 대표적 전지이다. 기계적 에너지 변환단계가 생략되었기 때문에 소음이 없어 환경 친화적이다.

 연료전지는 공기극과 연료극의 전극, 두 극 사이에 위치하는 전해질로 구성되어 있다. 연료 전지의 구성요소 중 전극은 전기화학 반응을 진행시킬 수 있는 일종의 촉매 역할을 하고, 전해질은 생성된 이온을 상대극으로 전달시켜 주는 매개체 역할을 한다. 연료극에는 수소, 공기극에는 공기(또는 산소)가 공급되어 각 전극에서 전기 화학반응이 진행된다. 이렇게 구성된 연료전기 한 쌍을 단전지(Single cell)이라 하며 연료극과 공기극간의 전압은 약 1 V 내외가 된다. 이러한 전지를 단전지를 직렬로 연결하면 원하는 만큼의 전압을 얻을 수 있다.

 

연료 전지 화학반응

 연료전지(Fuel Cell)는 수소화 산소의 화학 반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 기술을 이용한 전지이다. 즉 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 반응은 전해질 내에서 이루어지며 일반적으로 전해질이 남아 있는 한 지속적으로 발전이 가능하다.

 연료전지의 구조는 전해질을 사이에 두고 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하며 두 전극을 통하여 수소이온과 산소이온이 지나가면서 전류를 발생시키고 부산물로서 열과 물을 생성한다.

① 연료극(Hydrogen from Tank, 양극)으로부터 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리

② 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동하며 전기 생성

③ 공기극(Oxygen from Air, 음극)쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물()을 생성

 최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열이 발생한다.

 연료전지는 전지라는 말이 붙어 있기는 하지만 일반적인 전지와는 다르다. 전지는 닫힌계에 화학적으로 전기에너지를 저장하는 반면, 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 또한 전지의 전극은 반응을 하여 충전/방전 상태에 따 바뀌지만, 연료전지의 전극은 촉매 작을 하므로 상대적으로 안정하다.

 생성물이 전기와 순수인 발전효율 30~40%, 열효율 40% 이상으로 총 70~80% 이상의 효율을 갖는 신기술이라고 할 수 있다.

 

연료 전지의 특징

 환경친화적 특징을 가진 연료전지의 특징은 다음과 같다.

장점

① 발전효율이 40~60%이며, 열병합 발전 시 80% 이상 가능

② 천연가스, 메탄올, 석탄가스 등 다양한 연료 사용 가능

③ 환경공해 감소 : 배기가스 중 NOx, Sox 및 분진이 거의 없으며, CO2 발생량에 있어서 미분탄 화력 발전에 비해 20~40% 감소

④ 회전부위가 없어 소음이 없으며 기존 화력발전과 같은 다량의 냉각수 불필요

⑤ 도심 부근에 설치가 가능하여 송배전시의 설비 및 전력 손실 적음

⑥ 부하 변동에 따라 신속히 반응하며, 설치 형태에 따라 현지 설치용, 분산 배치형, 중앙 집중형 등의 다양한 용도 사용 가능하다.

단점

① 초기 설치비용이 고가

② 수소공급 저장 등 인프라 구축 어려움

 

연료전지 발전원리(단위전지)

 기존의 가솔린 내연기관이 석유(가솔린) 등 혼합연료를 폭발시킨 힘으로 구동축을 돌리는 데 비해, 연료전지는 전기모터가 구동축을 돌리게 되어 있다. 이 때 전기모터를 돌리는 에너지를 생산해 내는 것이 바로 연료 전지이다.

 연료전지의 구조는 전해질을 사이에 두고 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하여 두 전극을 통하여 수소이온과 산소이온이 지나가면서 전류를 발생시키고 부산물로서 열과 물을 생성한다.

 연료전지의 음극(Cathode)을 통하여 수소가 공급되고 양극(Anode)을 통하여 산소가 공급되면 음극을 통해서 들어온 수소 분자는 촉매(Catalyst)에 의해 양자(H+)와 전자로 나누어진다. 나누어진 양자와 전자는 서로 다른 경로를 통해 양극에 도달하게 되는데, 양자는 연료전지의 중심에 있는 전해질(Electrolyte)를 통해 흘러가고 전자는 외부회로를 통해 이동하면서 전류를 흐르게 하며 양극에서는 다시 산소와 결합하여 물이 된다.

 연료 중 수소와 공기 중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전한다.

연료극에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리

② 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동

③ 공기극 쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물()을 생성하며, 최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열을 생성한다.

 반응은 산화제로는 여러 가지를 이용하 수 있다. 수소 연료전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하여, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화 염소 등을 산화제로 이용할 수 있다.

 연료전지의 발전 효율은 40~60% 정도로 대단히 높으며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 80%까지 에너지로 바꿀 수 있다. 게다가 천연 가스와 메탄올, LPG(액화석유가스, propane gas), 나프타, 등유, 가스화된 석탄 등의 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지 자원을 확보하기 쉽다. 또한 연료를 태우지 않기 때문에 환경에도 무해하다. 또한 질소산화물(NOx)와 이산화탄소의 배출량이 석탄 화력 발전의 각각 1/38 1/3 정도이며, 소음도 화력발전 방식에 비해 매우 작은 장점이 있다.

 이와 더불어 모듈화로 건설 기간 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고, 화력발전 방식에 비해 훨씬 적은 토지 면적을 필요로 하기 때문에 입지 선정이 용이하다. 따라서 도심지역 또는 건물 내에 설치하는 것이 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있다. 연료전지는 기존의 화력 발전을 대체할 수 있으며, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 나아가 무공해 자동차의 전원 등에 적용될 수 있다.

 

연료전지 발전 시스템 구성도

 연료변환기는 천연가스나 메탄올, 가솔린 등 탄소수소 연료를 진한 수소가스로 변환시켜주는 장치다. 이렇게 변환된 수소가스와 공기 중의 산소는 전류를 얻기 위해 연료전지스택으로 공급된다.

 연료전지스택 내에서 화학반응으로 발생된 전류는 DC 전류이며 인버터를 통해 AC전류로 변환된다.

2. 연료전지 발전시스템 구성

구 분

특 성

개질기(Reformer)

화석연료(천연가스, 메탄올, 석유 등)로부터 수소를 발생시키는 장치

시스템에 악영향을 주는 황(10ppb 이하), 일산화탄소(10ppm 이하) 제어 및

시스템 효율향상을 위한 compact가 핵심기술이다.

스택(Stack)

원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌍아 올린 본체

단위전지 제조, 단위전지 적층 및 밀봉, 수소공급과 열회수를 위한 분리판 설계/제작 등이 핵심 기술이다.

전력변환기(Inverter)

연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하고 있는 교류(AC)로 변환시키는 장치

주변보조기기

(Balance of Plant)

연료, 공기, 열회수 등을 위한 펌프류, Blower, 센서 등을 말하며, 연료전지에 특성에 맞는 기술이 미미함

 

 현재 개발 중인 연료전지는 수소와 메탄올, 청정 가솔린 등을 연료로 사용하고 있으며, 수소는 직접 에너지로 사용되고, 메탄올과 청정 가솔린은 일단 수소로 변환 후 모터를 돌리는 에너지를 생산하게 된다. 따라서 수소를 직접 에너지로 사용하는 연료전지차의 경우 연료변환기 장치가 필요하다.

 가솔린 내연기관의 에너지 효율이 20%에 불과한데 비해, 연료전지의 에너지 효율은 40~60%로 에너지 효율이 극히 높으며, 물 이외는 아무것도 배출되지 않는 친환경 에너지이다.

 

연료전지의 구성요소

1. 분리판 : 반응가스의 유로 제공, 전기적인 연결

2. 개스킷 : 반응가스의 누출방지

3. MEA : 전해질과 백금촉매의 접합체, 전기화학반응 일어남.

4. 스택 : 다수의 셀을 쌓은 것, 한셀의 Cathode는 인접 Cell Anthode와 전기적 연결

 2매의 백금 전극과 거기에 끼워진 전해질로 이루어지는 연료전지의 1단위를 단셀이라 부른다. 1개의 단셀이 발생시키는 전압은 연료로나 전해질의 종류에 따라 결정되는데 단셀의 크기에 무관하게 약 1볼트이다. 건전지와 같은 정도이다. 이 전압에서는 자동차 움직이지 않는다.

 더욱 큰 전압을 발생시키려면 많은 단셀을 직렬로 이으면 된다. 복수의 단셀을 직렬로 이은 것은 스택(stack)이라 부른다. 스택을 만들려면 단셀을 구성하는 부품 외에 단셀과 단셀 사이를 갈라 놓는 부품인 세퍼레이터(separator)가 필요하다.

 세퍼레이터는 1) 각 단셀 사이를 막고 가스의 혼합을 막고 2) 단셀에 수소 가스나 공기를 공급하는 통로가 되며 3) 단셀 사이를 잇는 도선(전자의 통로)으로 작용한다. 일반적으로 세퍼레이터와 전극 사이에는 가스를 균일하게 확산시키기 위한 가스 확산 층이 끼워진다.

 

수소 연료 전지의 구성

 수소연료전지는 간단히 세 부분으로 나 눌 수 있다. 수소가 들어가는 양극판(Anode)과 공기가 들어가는 음극판(Cathode), 그리고 그 두 판 사이를 채우는 전해질이다.

 재료만 다를 뿐 보통의 전지 구조와 흡사하다. 양극에선 수소가 이온화되며 전자를 내놓는다. 이 전자는 중간의 전해질을 통해 음극으로 이동하고 그곳에서 공기와 반응해 물을 만든다. 전자가 이동하는 과정에서 우리가 얻고자 하는 전기에너지가 발생한다.

 수소와 공기가 반등해 물이 생성되는 이 반응은 발열반응이여서 열과 물을 으로 얻울 수 있다. 우주선에선 수소연료전지를 이용해 전기에너지뿐 아니라 식수와 온수를 얻기도 한다. 수소연료전지는 원료와 산출물이 모든 친환경적이라는 장점이 있다.

 하지만 자연 환경에 수소가 그 자체로 존재하지 못하기 때문에 순수한 수소 분자를 얻기 위해 수소화합물을 이용한다. 이로 인해 지금의 수소연료전지는 100% 친환경적이라고는 할 수 없다. 그러나 수소를 무한대로 얻을 수는 있다.

 수고연료전지의 또 다른 장점은 효율이 높다는 점이다. 화석연료를 태워 물을 끓이고 그 수증기를 이용해 터빈을 돌려 전기를 생산하는 지금의 방식은 화학에너지가 열에너지, 운동 에너지를 거쳐 전기에너지로 변환되므로 에너지 효율이 낮은 데 비해 수소연료전지는 단 한 번의 반응식으로 전기가 생산되기 때문에 고효율이라는 장점이 있다.

 우리가 실제로 사용하는 수소연료전지는 양극, 음극, 전해질로 구성된 하나의 단위전지가 여러 개 겹쳐진 적층구조를 이루고 있다. 전류는 단위전지 면적에 따라 전압은 쌓아 올려진 단위전지 개수에 따라 조절되므로 수소연료전지는 전력을 자유자재로 결정할 수 있다는 장점도 있다.

 연료 전지의 구성

- 셀은 플러스의 전극판(공기판)과 마이너스이 전극판(연료판)이 전해질을 포함한 층을 겹친 샌드위치 구조와 같은 형태의 구조이다.

- 공기극과 연료극은 수 많은 구멍이 나 있고 여기를 외부에서 공급된 공기 중 약 20%의 산소가 포함되어 있는 공기가 통과함으로 반응이 일어난다.

- 수소는 전해질을 접촉하는 면까지 들어가 있어서 전자를 유리하여 수소이온이 되고 전자는 밖으로 나가 버린다. 전해질을 통과한 수소 이온은 반대측의 전극에서 보내진 산소와 외부에서 전선을 통해 돌아온 전자와 반응해 물이 된다.

- 이런 전자와 이온으로 분리되는 시점이 연료 전지의 원리 중 가장 중요하다. 그러나 단층의 셀에 의해 전기 발생은 많지 않아 필요전기를 얻기 위해서는 직렬로 연결하여 셀을 적층하고 상하셀 사이에는 산소와 수소의 통로를 막으면서 적층된 셀을 전기적으로 연결하는 세퍼레이트가 들어간다

- 연료전지의 이상적인 상태라면 모든 전기에너지로 변화되겠지만 셀내부의 약간의 전기저항이 있어 일부 에너지가 열에너지로 변해 버린다. 이로 인해 셀에서 발생하는 열을 제거하기 위해 냉각수를 투입하는데 역으로 냉각수는 열을 얻어 가열되므로 급탕이나 난방 등에 사용할 수 있다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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