연료전지의 원리와 반응특성 Report RX

연료전지의 원리와 반응특성 Report

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연료전지의 원리와 반응특성

연료전지의 원리와 반응특성

연료전지의 원리와 반응특성

1. 연료전지의 원리

연료전지는 산화환원반응을 통하여 전기를 생산한다는 점에서 보통의 전지(일차 전지)와 비슷하다고 할 수 있다. 한쪽 전극(anode)에서 전자를 내놓으면서 산화되는 물질(연료)이 있고, 다른 한쪽 전극(cathode)에서는 공기중의 산소가 전자를 받어 환원된다.

예) 산화전극(-극)반응 : H2 --> 2H+ + 2e-

환원전극(+극)반응 : 1/2Ｏ2(공기) + 2H + 2e- --> H2O

그리하여 단순한 화학반응으로 일어난다면 H2 + 1/2O2-->H2O의 반응이 위의 예와 같이 두 전극에서 나눠어져 일어나므로서 전력생산이 가능하게 된다.

한편 연료전지라는 장치는 그 연료(위의 예에서 수소)와 산화제(산소)를 전지에 내장하지 않고, 쓰이는 만큼씩만 전지내로 주입하도록 외부에 연료탱크를 가지고 있고 대기중 산소를 산화제로 쓰인다는 점에서 열기관(engine)에 유사하다고 볼 수 있다. 즉 보통의 전지는 그 내부에 가지고 있는 물질이 다 산화 혹은 환원되면 쓸 수 없게 되는데 반하여 연료전지는 밖에서 연료를 공급해주면 반영구적으로 전력을 생산하며 자체의 무게에 비하여 많은 전력을 생산할 수 있다. 간단한 연료전지의 구조를 나타낸 것이 그림 1 이다. 원리상 산소에 비하여 쉽게 산화 될 수 있는 물질이면 천연가스 등 탄화수소나 알콜류를 포함하는 여러가지 연료가 쓰일 수 있다.

열기관을 써서 하는 발전방식에 비하여 연료전지의 가장 뚜렷한 특징은 그 열역학적 효율이라고 볼 수 있다.전지에서 나오는 전기에너지 n??E는 이상적인 경우 반응의 Gibbs 자유에너지 감소에 해당한다.

n??E = -??G

대체로 연소 반응의 ??G는 ??H에 가까우므로 반응열의 값이 생산되는 전기에너지와 맞먹을 수 있다. 그러나 열기관의 경우에는 잘 알려짐 바와 같이 그 효율이 소위 “ Carot 한계 ”에 묶여서 이론적으로 최대효율은 고열원과 저열원의 온도차에 비례하여 [(T2 - T1)/T2], 꽤 고온에서 작동하는 기관의 경우에도 효율이 40%에 미치기 어렵다. 이것이 연료 전지가 열기관 발전 장치와 다른 근본적인 차이점이며 장점이라 볼 수 있다.

연료전지도 열역학적으로 이상적인 조건에서 운전할 수는 없으므로 실제효율은 이론적인 값에 못 미치나 60% 이상의 효율을 얻는 경우는 흔하고, 전기에너지로 변환되지 않은 나머지의 열에너지도 병합 발전식으로 이용하는 경우가 있어 이러한 경우에는 가득 에너지 효율이 더욱 크다. 발생열을 연료의 개질, 즉 탄화수소, 매탄올 등을 열처리하여 연료전지에 더 적합한 연료인 수소의 발생에 쓰이는 경우가 많다.

2. 연료전지의 반응 특성

전지내의 산화전극과 환원전극에서 일어나는 각각의 반응속도는 그림2에 나타낸 바와 같이 각 전극의 퍼텐셜 값에 따른다. 즉, 산화 반응의 속도는 거기서 나오는 산화 전후의 크기로 나타내는데 그림에서 보는 바와 같이 수소의 산화속도는 그 가역전위인 0V (수소전극기준)근처에서 퍼텐셜 E값이 증가하는데 따라 급격히 증가한다. 전기화확적인 용어로는 과전위(overpotential)가 작다고 한다. 그러나 환원전극에서의 산소의 환원속도는 그 가역전위값 1.23V 근처에서는 대단히 늦어서 환원전류의 크기(그림에서 -I)는 아주 작고 전위가 낮은 값으로 감에 따라 아주 서서히 증가하여 0.9V 이하에 가서야 뚜렷한 전류크기를 나타내기 시작한다. 즉, 일정전류세기를 얻기 위한 과전위값이 크다. 반응속도론적 활성화에너지가 대단히 큰 것이다. 그나마 백금과 같이 촉매성질이 좋은 금속을 전극으로 쓰지 않고 흑연이나 흔한 금속을 전극으로 할 때는 더욱 큰 과전위가 있어야만 어떤 크기의 전류를 얻을 수 있다. 전지에서 얻을 수 있는 기전력은 두 전극의 전위의 차이이므로 이처럼 과전위가 크면 기전력이 줄고 따라서 전지의 출력이 작아지게 마련이다. 열역학적인 계산에 의하면 수소/산소 전지의 기전력, 즉 전류가 거의 흐르지 않을 때의 전위차(open curcuit potential)가 1.23V가 되어야 하겠지만 실제로는 위에 적은 바와 같이 산소반응이 늦은데다 불순물 반응이 있어, 1.0V 정도밖에 얻어지지 않고 전류크기에 따라 전위차는 계속 감소하고 한계 전류값에 가까워지면 급격히 감소한다.

그러므로 연료전지를 개발하는 데는 좋은 촉매 성질을 나타내는 전극물질을 찾는 일과 이를 어떻게 전극구조의 표면에 분산시켜 기체/액체/액체의 3상의 계면 근처에서 유효 표면적을 넓게 하느냐 하는 것이 중요한 골자이다. 현재는 백금 혹은 그 합금이 쓰이는 경우가 많으나 이보다 값이 싼 물질을 찾는 노력이 계속되고 있다.

또한 전류가 흐르는 전해질 경로의 저항에 의한 소위 i-R-drop에 의한 전위차 감소를 막기 위해서는 전해질층을 얇게 하는 것이 필요하다.

연료로서 수소를 쓰지 않고 알콜류를 쓰는 경우에는 대체로 산화전류곡선이 그림에서보다 오른쪽으로 치우쳐지고 과전위 증가에 따른 전류증가도 완만하여 얻어지는 전지 기전력이 휠씬 작다. 이런 이유로 인하여 아직 알콜류를 연료로 쓰는 전지는 발달이 안된 상태이고, 값싼 탄화수소 연료를 쓰는 전지는 더욱 요원한 이상에 머물 뿐이다.

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자료제목 : 연료전지의 원리와 반응특성

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키워드 : 연료전지,원리와,반응특성,연료전지의

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