[e테크]연료전지-연료전지의 원리와 형태

연료전지는 산화환원반응을 통해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 전환한다. 이같은 반응은 연료에서 양극의 산화체로 또는 환원물에서 음극의 연료전지로 전자가 이동하는 것과 함께 2개의 전극으로 나뉜 전해질을 통해 이온이 이동하는 것과 관련이 있다.

　전류는 전극의 전기화학적 전위차에 의해 확정된 외부 회로를 통해 흐른다.

　연료전지의 가장 일반적인 반응은 수소가 산소와 반응해 물이 생기는 것이다. 산화물로서 산소와 관련된 다른 반응은 탄소 이산화물을 형성하는 산소와 탄소 일산화물의 반응, CO₂를 형성하는 탄소와 산소의 반응, 물과 CO₂를 형성하는 메탄올과 산소의 반응 등이다. 또한 아세톤과 같은 다른 산화물은 산화물을 수소와 반응시켜 이소프로파놀을 형성하기 위해 사용된다.

　수소는 다른 반응의 부산물로 가능하지 않으면 값비싼 연료다. 화학연료를 위한 수소는 보통 메탄(천연가스), 메탄올, 증류액, 가스화석탄 등과 같은 탄화수소를 재형성해 생산된다. 여기서 중요한 반응은 증기 재형성 반응이다. CO와 H₂를 얻기 위한 메탄 첨가물(CH₄+H₂0 -> CO+3H₂). 물제거반응(CO₂와 H₂를 얻기 위한 CO 첨가 H₂O)이 이 반응을 뒤따른다.

　연료전지는 보통 전해질에 의해 다음과 같이 형태가 구분되며 전해질은 일반적으로 수성 물질 또는 용화 염, 고체 등이다.

　

　△수성 알칼라인

　-나트륨 수산화물

　-칼륨 수산화물

　△수성 산

　-유황 산

　-인 산

　-술폰기 산(SO₃H 포함)

　△알칼라인 용화 소금

　-NaOH

　-KOH

　△탄산염 용화 소금(또는 용해 탄산염)

　-칼륨 탄산염 또는 가성칼륨

　-리튬 탄산염

　△양자교환 막(또는 고형 중합체)

　-술폰화한 탄화불소 중합체

　△고형 산소

　도핑된(doped) 세라믹

　

　비록 알칼라인 연료전지가 연구실 밖에서 사용된 첫 연료전지(우주선에 전력과 물 공급)였지만 다른 연료전지 형태도 활발한 연구활동이 이뤄지고 있으며 상업적인 관심을 모으고 있다. 고형산화물 연료전지와 용해탄산염 연료전지가 고온 형태로 셀과 스택 내에서 연료 재형성을 허용하며 고품질 폐열을 만들어낸다. 인산 연료전지는 가장 성숙한 연료전지 기술로 약 100개의 고정 전력설비가 상용으로 운영되고 있다. 또 수송 및 휴대형 전력 응용분야 등에서 양자교환막 연료전지에 대한 관심도 급속히 확산되고 있다. 수성연료전지는 연료흐름이 탄소에 민감하기 때문에 일부 기업만이 상용화에 매달려왔다.

　그림과 같이 연료전지는 격실과 셀로 구성된다. 이 안에서 연료와 산화체는 끊임없이 보급된다. 연료와 산화체가 반응하고 결합될 때 부산물은 반드시 지속적으로 빠져나와야 한다. 연료와 산화체를 분리하는 장벽은 약쪽의 전극봉(양극·음극)과 전해질로 구성된다. 각 연료셀의 결합은 셀에 연료와 산화체를 발생시키고 공급하기 위한 시스템이다. 또 이 시스템은 부산물인 증기를 빼내 재활용한다. 간단한 시스템은 순수 수소와 산소의 저장탱크를 포함하고 탱크는 주기적으로 채워지며 순수한 마실수 있는 물을 만들어낸다. 천연가스, 석탄, 매립지 쓰레기에서 나오는 메탄 등과 같은 다양한 자원으로부터 연료를 생산하기 위한 설비는 복잡한 시스템이다. 이같은 시스템은 증기와 사용되지 않은 연료 등과 같은 부산물을 회수해 공간 가열, 추가 전기 폐열 발전, 연료 생성 등을 위해 재활용한다.

　연료전지의 운영은 연료와 산화체간의 전기화학적 반응에 의존한다. 셀의 음극(A)에서 연료 분자는 보통 촉매의 도움을 받아 이온과 전자로 분리된다. 이온은 전해질을 통해 운반되지만 전자는 이동하지 않는다. 전자(2e)는 외부회로에서 양극(C)으로 흐르며 전기를 만들어낸다.

　산성 연료전지에서 물은 양극에서 만들어진다. 탄산염 연료전지에서 물과 탄소 이산화물은 음극에서 만들어진다(탄소 이산화물은 양극으로 이동해 재활용된다).