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수소 연료전지 원리 (Hydrogen Fuel cell)
작성일	2024.03.12	작성자	Roplant
조회수	125
1. 개요 수소 연료전지는 수소와 산소를 화학적으로 반응시켜 전기를 발생시키는 장치이다. 수소와 산소의 화학반응에서는 주로 물과 열이 부산물로 생성된다. 수소 연료전지의 구성요소는 양극(Cathode), 음극(Anode), 그리고 전해질(Electrolyte)로 구성되며, 전해질은 수소 이온(H⁺)이 이동하는 통로가 된다. 연료전지에서의 화학반응은 이며, 음극의 산화반응은 , 양극의 환원 반응은 이다. 대표적인 유형으로는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 알칼리 연료전지(AFC) 등이 있다. ※ (전해질, Electrolyte) 물(Water) 등의 용매에서 이온화되어 전류가 흐르는 물질이다. 즉, 우리몸의 경우 혈액 내에서 흐르는 무기질로 염분(나트륨), 칼슘, 칼륨, 마그네슘 등이 있다. 전해질은 용액 속에서 양이온과 음이온으로 나누어지며, 용액 속에 전극을 넣고 전압을 가하면, 양이온은 음극으로 음이온은 양극으로 끌려서 이동하여, 결과적으로는 용액을 통해서 전류가 생긴다. (수소 연료 전지) 2. 연료전지 메카니즘 ① 수소연료전지에 공급된 수소(H2)는 음극(-)에서 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분리 ② 분리된 전자(e-)는 음극(-)에서 양극(+)으로 흐르며 전기 생산 ③ 전해질을 통과한 수소이온(H+)은 산소(O2)와 만나 물(H2O)로 배출 1) 수소와 산소 공급: 수소는 연료전지의 음극(Anode)으로 공급, 산소는 양극(Cathode)으로 공급된다. 2) 음극 반응(수소 분해): 수소 분자(H₂)는 음극의 촉매 작용으로 수소 이온(H⁺)과 전자(e⁻)로 분리 된다.(산화과정) - 음극의 산화반응 : 3) 이온 전달: 수소 이온(H⁺)은 전해질을 통해 양극(Cathode)으로 이동, 전해질은 이온(H+)은 통과시키지만, 전자(e⁻)는 통과시키지 않아 전자(H+)와 이온(e-)이 서로 다른 경로 이동하게 된다. 4) 전자 흐름(전기 생산): 동시에, 분리된 전자(e-)는 음극(-)에서 양극(+)으로 흐르며 전기를 생산한다. 5) 양극 반응(수소 산소 반응): 양극에서는 공기 중의 산소(O₂)와 전해질을 통과해온 수소 이온(H+) 그리고 외부 회로를 통해 전달된 전자(e-)가 반응하여 물(H₂O)로 배출, 이 과정을 환원 반응이라 한다. - 양극의 환원반응 : = 음극+양극 전체 반응 : (수소 연료전지) 3. 수소 연료전지 방식 1) 고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 고분자 전해질 막을 사용하여 수소 이온을 전달, 작동 온도가 상대적으로 낮아(약 80°C) 시작과 반응 시간이 빠르다. - 용도: 자동차, 이동식 전원, 백업 전원 시스템 등에서 널리 사용됩니다. 2) 고체 산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell) 고체 산화물을 전해질로 사용하며, 작동 온도가 매우 높다.(600°C~1000°C). 높은 온도 덕분에 높은 전기 효율을 달성할 수 있으며, 연료의 유연성이 뛰어나다. - 용도: 대규모 발전, 분산 발전 시스템, 산업용 열과 전기의 공급 등에 적합합니다. 3) 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell) 알칼리 용액을 전해질로 사용하며, 수소와 산소가 반응하여 전기를 생성, 상대적으로 높은 효율을 가지나, CO₂에 민감하여 순수한 수소와 산소가 필요하다. - 용도: 우주 항공 분야에서 주로 사용되었습니다. 4) 인산염 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell) 인산을 전해질로 사용하며, 작동 온도는 약 200°C, 중간 정도의 효율을 가지고 있으며, CO₂에 대한 내성이 좋다. - 용도: 상업용 건물과 중소규모 발전 시설에서의 전력 및 열 공급에 사용됩니다. 5) 용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell) 용융탄산염을 전해질로 사용하며, 작동 온도는 약 650°C, 이러한 높은 온도 덕분에 높은 효율을 달성할 수 있으며, 자연가스와 같은 다양한 종류의 연료를 사용할 수 있다. - 용도: 대규모 발전소와 산업 시설에서의 전력 및 열 공급에 적합합니다. (수소충전소와 수소자동차) 4. 수소 연료전지의 특징 1) 부산물로 물이 생성, 이산화탄소와 같은 유해 배출물 없는 친환경적이다. 2) 수소의 저장 및 운반이 어렵다.
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