건전지와 같이 한 번 쓰고 버리는 배터리를 "1차 전지"라 하고, 충전,방전을 반복하여 쓰며 리튬이온배터리와 같은 것을 "2차 전지"로 불려진다. 이번에 말할 "3차 전지"는 앞의 배터리와는 달리 연료를 지속적으로 주입하여 사용하는 방식이다.
이 전지는 산화전극에서는 주입된 연료의 산화가 발생하고, 환원전극에서는 산소의 환원이 일어나는데, 이때 반응을 통해 방출되는 에너지가 전기의 형태로 발현하고 외부에서 활용된다.
연료 전지 역사
- 수소 연료 전지는 1838년 웨일스의 물리학자가 원유연료 전지의 개발에 쓴 편지에서 언급되 었다. 철판, 구리, 도자기 판의 조합과 구리와 황산염 용액을 사용했다고한다. 이를 1839년에 독일 물리학자가 최초의 원유 연료 전지에 대해서 논의한 편지에서 언급되었다.그의 디자인 스케치가 오늘 날의 연료 전지의 인산 연료 전지와 비슷한 재료를 사용했다고 되어진다.
- 1932년 영국 엔지니어 프랜시스 토마스 베이컨이 5kW 고정식 연료전지를 개발했다. 수소와 산소에서 전력을 추출한 연료 전지였다. 이것은 NASA에 의해 조명되어 , 에어컨 및 통신에 전력을 공급하는데 쓰여졌다. 이 연료전지가 알카리성 연료 전지이다.
- 1950년대에는 GE(제너널 일렉트릭 컴퍼니)의 화학자들이 이온 교환막을 전해질로 사용하기도 하고, 수소 산화와 산소 환원 반으의 촉매 역할을 하는 막에 백금을 사용하는 방법을 고안했고, 이는 Grubb-Niedrach 연료 전지로 알려지게 되었고, 제미니 프로젝트에 사용되었다 이게 바로 연료전지의 첫 번쨰 상업적 사용이었다.
기본 작동 원리(수소연료 전지)
위의 사진은 3차 전지의 기본적인 형태인 수소 연료 전지의 작동원리이다.
- 산화전극(Anode): H2 → 2H+ + 2e- ▶ 수소연료가 산화되어 수소 이온과 전자가 발생
- 환원전극(Cathode): ½O2 + 2H+ + 2e- → H2O ▶ 수소 이온이 환원 전극으로 이동하고, 산소와 만나 환원되어 물 발생
※ 전체 반응: ½O2 + H2 → H2O ▶ 전체 반응은 수소와 산소가 반응하여 물이 되는 반응이다.
연료 전지 종류
연료 전지는 사용하는 연료의 종류, 작동 온도 및 구성에 따라 다양하게 분류된다.
고분자 전해질 연료 전지
- 이온들이 이동할 수 있는 고분자 막을 전해질로 사용하는 연료 전지로 수소를 연료로 사용한다. 비교적 저온(80~110℃)에서 작동되고 구조가 간단하다 또한, 빠른 시동이 가능하기도 해서 활용 범위가 넓은 연료 전지이다.
- 이 연료전지는 현재 수산화 양성자 교환 막 연료 전지(PEMFC)로 불리운다. 양극에선 수소가 양극 촉매로 확산되어 양성자와 전자로 분해된다. 이 양성자는 산화제와 반응하여 다중 촉진 양성자 막이 된다. 전자는 막이 절연되어 있기 때문에 외부 회로로 이동한다. 음극에선 산소분자가 외부회로를 통해 이동해온 전자와 반응하여 물을 형성한다.
메탄올 연료 전지
- 메탄올을 연료로 사용하는 연료 전지로, 고분자 전해질 연료 전지와 마찬가지로 온도 범위가 저온(80~110℃)에서 작동된다. 메탄올을 연료로 사용하기 때문에 저장 및 휴대가 쉬위 이동형 기기의 전력원으로 활용 범위가 넓다.
알카리 연료 전지
- 알칼리 조건에서 산화반응이 일어나는 연료 전지로 온도 범위가 60~90℃이다. 연료 전지 중에서 가장 먼저 개발 되었다는 특징이 있다.
인산 연료 전지
- 인산을 전해질로 사용하는 연료 전지로 온도 범위가 150~200℃이다. 그렇기에 저온에서 초기 시동이 어렵다는 단점이 있지만, 작동 온도에 이르게 되면 반응의 결과로 생성되는 물을 증기로 바꿀수도 있다. 또 고온이다 보니 이 열에너지를 다양한 곳에 활용도 가능하다는 장점이 있다.
응용 탄산염 연료 전지(MCFC)
- 용융 탄산염을 전해질로 사용하는 연료 전지로 온도 범위가 고온(600~800℃)이다. 고온에서 작동하기 때문에 전기화학 반응이 빨라서 저온에서 사용되는 연료전지에서 활용되는 백금 촉매 대신 값싼 니켈을 촉매로 사용할 수 있다. 그렇기에 경제성이 우수하다. 다만, 용융 탄산염은 부식성이 높아 내구성 및 수명이 짧은 단점이 있다.
고체 산화물 연료 전지 (SOFC)
- 고체 산화물을 전해질로 사용하는 연료 전지로 온도 범위가 고온(800~1000℃)이다. 전해질을 포함한 모든 구성요소가 이루어져 있고, 응용 탄산염 연료 전지와 마찬가지로 값싼 재료로 촉매를 사용할 수 있는 장점이 있다.
고체 산성 연료 전지 (SAFC)
- 고체 산성 연료 전지는 고체 산성 물질을 전해액으로 사용하는 것이 특징이다. 온도 범위가 140~150℃에서 매우 무질서한 초프로톤 구조가 되기 위해 위상 전이를 거치게 되며 전도도를 몇 배나 증가 시킨다. 하지만 저온에서 고체산은 대부분 소금과 같은 분자 구조를 가지고 있다. 최초의 고체 산성 연료 전지는 황상셰슘 수소(CsHSO4)를 사용하여 개발되었다. 현재는 세슘 이수소 인산염(CsH2PO4)를 사용한다.
연료 전지의 효율설
- 에너지 효율은 출력에너지/입력에너지의 비율 또는 출력 에너지의 비율/총 입력에너지의 비율로 측정된다. 연료 전지의 경우, 출력 에너지는 시스템에 의해 생성된 전기 에너지로 측정되며, 입력 에너지는 연료에 저장된 에너지이다. 보통 연료 전지는 일반적으로 40~60%에너지 효율을 가지는데, 다른 애너지 생성 시스템보다 효율이 좋다. 자동차의 내연기관의 경우 약 25%의 에너지 효율을 가지며, 증기발전소는 30~40%, 복합 사이클 가스 터빈 및 증기발전소는 최대 60%의 효율을 가진다.
- 모든 유형의 발전 시스템의 이론적 최대 효율은 실제로 도달되지 않지만, 연료 전지의 이론적 최대 효율을 100%에 접근하는 방면, 내연 기관의 이론적 최대 효율은 약 58%에 접근한다.
- 수소를 제외하고는 연료 전지는 배터리와 같이 에너지를 저장할 수 없다. 하지만 태양렬이나 풍력과 같은 신재생에너지와 같은 불연속적인 공급원을 기반으하는 발전소와 같은 일부 분야에서는 전기분해제 및 저장 시스템과 결합하여 에너지 저장 시스템을 형성한다. 이러한 발전소의 효율성은 가스 밀도 및 기타 조건에 따라 35~50%가 될수있다. 전해기/연료전지 시스템은 무기한 양의 수소를 저장할 수 있으므로 저장에 적합하다.
- 고체 산화물 연료 전지의 경우 산소와 수소의 재조합으로 열을 생산하는데, 열이 포착되면, 총 효율은 80~90%에 도달할 수 있다. 생산 및 유통 손실을 고려하지 않았을때 말이다.
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