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연료전지란?
연료전지(Fuel Cell): 연료( \(H^{2}\) )가 가진 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환하는 장치.
연료전지는 외부에서 연료가 공급되는 한 전기를 계속해서 생산하는 하나의 '화학적 공장'과 같다.
연료전지의 원리
$$H_{2}\rightleftharpoons 2H^{+}+2e^{-}$$
$$\frac{1}{2}O^{2}+2H^{+}+2e^{-}\rightleftharpoons H_{2}O$$
연료전지는 연료극(Anode)과 산소극(Cathode), 그리고 그 사이에 전해질(Electrolyte)로 이루어져 있다.
연료극으로 공급된 수소가 이온 형태로 분리되며 전기를 생성하고, 수소 이온은 공간적으로 분리된 전해질을 타고 이동하여 산소와 결합하여 물의 형태로 배출된다. 이때, 전기의 지속적인 생산을 위해서 각 전극에는 유로를 통해 수소와 산소가 공급된다.
전지가 에너지(전기)를 만드는 기본 원리는 높은 에너지 상태에 있는 반응물의 화학 결합들이 낮은 상태의 화학 결합으로 변환될 때 발생하는 전자들을 이용하는 것이다. 연료전지에서는 높은 화학 포텐셜을 가진 수소 분자가 낮은 화학 포텐셜의 수소 이온으로 변환하는 과정에서 전기를 생성한다.
연료전지와 2차 전지(배터리)의 차이
연료전지와 2차 전지의 공통점은 화학 연료의 전기화학반응으로 전기를 생성한다는 점이다. 반면 둘의 차이점은 연료전지는 에너지 생산을 위한 물질이 지속적으로 출입한다는 것이고, 2차 전지는 물질의 출입이 없다는 것이다. 이를 기계 시스템 관점으로 보면 연료전지는 개방계, 2차전지는 밀폐계라고 볼 수 있다.
이러한 특성에 의해 연료전지에서 전지의 출력은 전지의 크기에 따라 결정되고 전지의 용량은 연료 저장고의 크기에 의해 결정되지만, 2차 전지에서는 전지의 출력과 용량 모두 그 크기에 따라 결정된다.
연료전지의 장단점
연료전지의 장점은 화학적 에너지로부터 직접 전기를 발생시키기 때문에 연소 기관보다 더 효율적이라는 것이다. 또한, 움직이는 구성품이 없어 기계적으로 이상적인 시스템이다. 따라서 보다 높은 신뢰성과 지속성, 정숙성을 가질 수 있다. 그리고 연료전지는 \(NO_{x}\) 나 \(SO_{x}\) 와 같은 대기오염 물질이 배출되지 않는다는 친환경적인 이점도 있다.
반면, 연료전지의 단점은 가격이 비싸다는 점이다. 연료전지 시스템에 들어가는 촉매나 전해질과 같은 물질들은 높은 가격을 가지고 있기 때문이다. 또 다른 연료전지의 한계점은 소형 기기로 사용하기에는 전력 밀도가 낮다는 것이다. 그리고 연료로 사용되는 수소 기체의 저장과 수송에 어려움이 있으며, 현재까지는 이 수소를 자체적으로 생산하는 기술도 부족한 상황이다.
연료전지의 성능
이상적인 연료전지는 열역학적으로 정의된 일정한 전압을 유지해야 하지만, 각 과정에서의 손실로 인해 실제의 전압 출력은 예상된 전압보다 낮아진다.
위의 그래프에서 i-V curve는 연료전지의 성능을 나타내는 주요 지표로, 전류 밀도가 증가함에 따라 손실이 증가하여 전압(성능)이 감소함을 알 수 있다. 그리고 Power density curve는 각 지점에서의 전류와 전압을 곱한 값으로 \(P=VI\) 에 따라 출력을 나타낸다.