연료전지(fuel cell)는 연료를 사용하여 전기를 만들어 내는 장치이다. 건전지와 같이 한 번 쓰고 버리는 1차 전지, 리튬이온 배터리와 같이 충전 방전을 반복하여 쓰는 2차전지와 달리 연료를 주입하여 지속해서 사용할 수 있으므로 3차전지로 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. 가장 기본적인 형태의 연료전지는 수소를 연료로 사용하는 수소연료전지이다.
개요
연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시키어 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 보통의 전지는 전지 내에 미리 채워놓은 화학물질에서 나오는 화학 에너지를 전기 에너지로 전환하지만 연료전지는 지속적으로 연료와 산소의 공급을 받아서 화학반응을 통해 지속적으로 전기를 공급한다.
연료전지는 영국의 판사이자 과학자였던 그로브 경(Sr. William Robert Grove, 1811 –1896)이 처음 만들었다. 그로브는 아연(Zn)을 묽은 황산(H₂SO₄)에, 백금을 고농도의 질산(HNO₃)에 넣어 전극으로 사용하고 전지를 만들었다. 이렇게 전기 에너지로 전환된 화학 에너지는 다음과 같은 화학반응에서 나왔다.
Zn₂ + H₂SO₄ + 2HNO₃→ ZnSO₄+ 2H₂O + 2NO₂↑
그로브의 전지는 이전에 만든 구리-아연으로 된 전지에 비해 더 높은 전압을 만들어 냈지만 값이 비싼 백금의 사용과 인체에 유해한 질산가스(HNO₃)를 발생 시키는 단점이 있었다. 이러한 단점을 개선하는 전지들이 연이어 나왔지만 연료전지가 상용화되는 데는 100여 년이 걸렸다.
최초로 상용화된 연료전지는 미국의 항공우주국 (NASA)에서 위성과 우주선의 발전기로 사용하면서부터 였다. 그 후 연료전지는 건물의 비상 발전기에 사용되거나 외딴 지역의 건물용 발전기에 사용이 된다. 또한 연료전지로 구동이 되는 잠수함, 배, 버스, 자동차 등도 만들어지고 있다.
종류
| 연료전지 종류
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발전온도
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전해질
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주연료
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기술수준
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적용대상
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| 고분자 전해질형
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상온~100°C
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이온 전도성 고분자 막
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수소, 메탄올
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개발 및 실증단계
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소형전원 자동차
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| 인산형(PAFC)
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150~200°C
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인산
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수소
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상용화 단계
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분산전원
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| 용융탄산염(MCFC)
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600~700°C
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용융탄산염
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천연가스, 수소
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개발단계
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복합발전, 열병합발전
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| 고체산화물(SOFC)
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700~1,000°C
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고체산화물
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천연가스, 수소
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개발단계
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복합발전, 열병합발전
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| 알칼리형(AFC)
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상온~100°C
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KOH
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수소
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현재 우주산업[5]에서 주로 사용
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특수목적
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2차전지와의 차이
연료전지와 배터리(2차전지)는 큰 차이가 있는데, 배터리가 전기를 저장하는 장치라면 연료전지는 전기를 만들어내는 발전기와 같은 장치이다. 따라서 배터리는 그 자체만 가지고 있으면 전력원으로서 사용 가능하지만, 연료전지는 수소나 산소 같은 연료를 내부에 넣어 반응시켜야 전력원으로서 사용 가능하다. 또한 충전시간이 꽤 오래 걸린다는 한계가 있는 배터리와는 달리, 연료전지는 그냥 열기관과 같이 연료만 채워넣으면 되므로 충전시간이 비교적 빠르다. 또 시간의 경과에 따라 발생되는 자연방전 문제를 심히 고민해야 하는 배터리와는 달리, 연료전지는 분자 크기가 작아 용기 표면으로 누출되는 양을 무시할 수 없는 수소를 제외하면 자연방전 문제에 있어서 자유롭다. 이에 더해서 연료전지는 기후조건이나 기상상황의 영향도 배터리에 비해서는 상대적으로 덜 받는 편이다.
참고자료
같이 보기
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