연료 전지

연료를 사용하여 전기를 만들어 내는 장치이다. 건전지와 같이 한 번 쓰고 버리는 '1차 전지', 리튬 이온 전지와 같이 충전 방전을 반복하여 쓰는 '2차 전지'와 달리 연료를 주입하여 지속해서 사용할 수 있으므로 '3차 전지'로 분류된다. 산화전극에서는 연료의 산화가 일어나고, 환원전극에서는 산소의 환원이 일어나는데, 전체 반응을 통해 방출되는 에너지가 전기의 형태로 외부에서 활용된다. 발전 효율이 높고 친환경적이기 때문에 미래의 에너지원으로 주목받고 있다.

목차

가장 기본적인 형태의 연료 전지는 수소를 연료로 사용하는 전지이다.

수소 연료 전지의 작동원리.()

산화전극에서 연료인 수소가 산화가 되어 수소 이온과 전자가 발생한다.

산화전극: H₂ → 2H⁺ + 2e^-

수소 이온은 전해질을 통해 환원 전극으로 이동하여 환원 전극에서는 산소가 환원되어 물이 발생한다.

환원전극: ½O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O

전체 반응은 수소와 산소가 반응하여 물이 되는 반응이다.

전체 반응: ½O₂ + H₂ → H₂O

이때 전자는 산화전극에서 외부 도선을 통해 환원전극으로 이동하면서 전기 에너지를 발생시킨다.

연료 전지는 사용하는 연료의 종류, 작동 온도 및 구성에 따라 다양하게 분류된다.¹⁾

수소 이온이 이동할 수 있는 고분자 막을 전해질로 사용하는 연료 전지로서 수소를 연료로 사용한다. 작동온도는 80~110 °C 범위로 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단하며 빠른 시동이 가능한 특징을 가지고 있어 활용 범위가 넓다.

직접 메탄올 연료 전지 ()

메탄올을 연료로 사용하는 연료 전지로서 산화전극 반응은 아래와 같으며 작동 온도는 80 - 110 °C 범위이다.

CH₃OH + H₂O → CO₂ + 6H⁺ + 6e⁻

메탄올을 연료로 사용하기 때문에 연료의 저장 및 휴대가 쉬워 이동형 기기의 전력원으로 활용 범위가 넓다.

알칼리 조건에서 아래와 같은 산화 반응이 일어나는 연료 전지로서 작동 온도는 60~90 °C 범위이다.

H₂ + 2OH^- → 2H₂O + 2e⁻

연료 전지 중에서 가장 먼저 개발이 되었고, 아폴로 우주선에서 전력원으로 사용된 바 있다.

인산을 전해질로 사용하는 연료 전지로서 작동 온도는 160~200 °C 범위이다. 인산은 40 °C에서 응고되는 특성이 있어 저온에서 초기 시동이 어렵다는 단점이 있지만, 작동 온도에 이르게 되면 반응의 결과물로 생성되는 물을 증기로 바꾸어 물 또는 공기의 가열에 활용할 수 있다.

600~800 °C의 고온에서 용융 탄산염을 전해질로 사용하는 연료 전지이다. 산화전극 반응은 아래와 같다.

H₂ + CO₃^2- → H₂O + CO₂ + 2e⁻

고온에서 작동하기 때문에 다른 연료 전지에서 볼 수 없는 장점이 있는데, 고온에서 전기화학 반응이 빨라져 다른 연료 전지에서 활용되는 백금 촉매 대신에 니켈을 촉매로 사용할 수 있어 경제성이 우수하다. 하지만 용융 탄산염의 부식성이 높아 내구성 및 수명이 짧아진다는 단점이 있다.

800~1000 °C의 고온에서 작동하는데, 이온을 투과시킬 수 있는 고체 산화물을 전해질로 사용하는 연료 전지이다. 산화전극 반응은 아래와 같다.

H₂ + O^2- → H₂O + 2e⁻

전해질을 포함한 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있고, 고온에서 작동하기 때문에 백금과 같은 귀금속 이외의 촉매를 사용할 수 있다는 장점이 있다.

연료 전지 자동차의 구성 요소. ()

연료 전지는 이동형 기기 및 발전 용도에서 다양하게 활용될 수 있다. 역사적으로 연료 전지는 아폴로 우주선에 탑재되어 활용이 되었으며 잠수함에서 동력원으로 이용이 되었다. 연료 전지가 탑재된 자동차도 상용화 목적으로 제작이 되었는데 일본 토요타의 미라이와 현대자동차의 ix35 등이 있다. 하지만 아직도 일상생활에서 널리 상용화되지는 못하고 있다. 발전 용도의 연료 전지도 다양하게 개발되고 있는데, 연료 전지를 활용한 발전 기기는 우주선 또는 기상 센터와 같이 동떨어진 곳에서 전력을 공급하기 위한 용도로 효과적으로 활용할 수 있다. 노트북 컴퓨터 및 휴대전화 등의 모바일 기기의 전력원으로서의 활용도 가능하지만 아직 경제성 등의 이유로 널리 활용되고 있지는 못하고 있다. 수소 연료 전지의 경우 경제적인 수소의 생산 및 저장이 수소 연료 전지 상용화를 위해 해결해야 할 문제이다.

1. Carrette, L.; Friedrich, K. A.; Stimming, U. ChemPhysChem 2000, 1, 162-193.