연료전지 쉽게 이해하기 요약편

 

 

🔋 수소연료전지의 기본 원리

1. 연료 공급: 수소 연료전지에는 수소와 산소가 공급돼요. 수소는 연료극(음극, anode)에, 산소는 공기 중에서 추출돼 산화극(양극, cathode)에 공급돼요.
2. 화학 반응:
   • 연료극에서 수소가 전자와 양성자(수소 이온, H⁺)로 분리돼요.
   • 전자는 외부 회로를 통해 이동하면서 전기 에너지를 발생시키고,
   • 양성자는 전해질을 통과해 산화극으로 이동해요.
3. 산화극에서의 반응: 산소는 전자와 양성자를 받아 물(H₂O)로 변해요.
4. 최종 생성물: 전기, 열, 물이 생성됩니다.

👉 반응식 요약:

연료극:  H₂ → 2H⁺ + 2e⁻  
산화극:  ½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O  
전체 반응:  H₂ + ½O₂ → H₂O + 전기 + 열

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⚙️ 수소연료전지의 구성 요소

• 연료극(Anode): 수소가 분해되어 전자와 양성자를 생성하는 곳.
• 산화극(Cathode): 산소가 전자와 양성자를 받아 물을 생성하는 곳.
• 전해질(Electrolyte): 전자는 통과하지 못하고, 양성자(H⁺)만 통과시켜주는 역할.
• 분리막(Separator): 전극 사이에서 전기적으로 절연하고 수소와 산소가 섞이지 않게 해 줌.

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🌱 장점

• 환경친화적: 이산화탄소 배출 없음, 물만 발생
• 고효율: 내연기관보다 높은 에너지 효율
• 저소음: 작동 소음이 적음
• 다양한 응용: 자동차, 건물, 발전소 등 여러 분야에 사용 가능

⚠️ 단점

• 수소 저장과 운반 문제: 수소는 가볍고 폭발 위험이 있어 안전한 저장·운반이 까다로움
• 비용 문제: 촉매(주로 백금 등 귀금속)와 인프라 구축 비용이 큼
• 기술적 한계: 수소 생산 자체가 아직 친환경적이지 않을 수 있음 (예: 천연가스 개질 방식 등)

 

🔋 연료전지의 종류

1. PEMFC (고분자 전해질 연료전지, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)

• ✅ 가장 널리 사용되는 연료전지, 특히 수소차에 사용
• 전해질: 고분자막 (고분자전해질)
• 운전 온도: 약 60~80℃ (저온)
• 연료: 순수 수소(H₂)
• 특징:
  • 빠른 시동 가능
  • 크기가 작고 경량화 가능 (차량, 가정용에 적합)
  • 고가의 백금 촉매 필요

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2. PAFC (인산 연료전지, Phosphoric Acid Fuel Cell)

• 전해질: 인산 (H₃PO₄)
• 운전 온도: 약 150~200℃
• 연료: 수소 또는 개질가스
• 특징:
  • 내구성이 높고 안정적
  • 열병합발전(전기 + 열 동시 생산)에 활용
  • 발전소, 대형 건물용에 적합

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3. MCFC (용융탄산염 연료전지, Molten Carbonate Fuel Cell)

• 전해질: 용융된 탄산염 (리튬, 나트륨 등)
• 운전 온도: 약 600~700℃
• 연료: 수소, 일산화탄소, 천연가스 등 다양
• 특징:
  • 연료 개질을 내부에서 직접 가능
  • 발전 효율이 높음
  • 내구성 문제, 부식 위험 있음

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4. SOFC (고체산화물 연료전지, Solid Oxide Fuel Cell)

• 전해질: 고체 산화물(세라믹)
• 운전 온도: 약 700~1,000℃
• 연료: 수소, 메탄, 천연가스 등
• 특징:
  • 연료 선택 폭이 넓음
  • 매우 높은 효율
  • 고온 운전으로 열병합 발전에 유리
  • 시동 시간이 느리고 내구성 이슈 있음

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5. DMFC (직접 메탄올 연료전지, Direct Methanol Fuel Cell)

• 전해질: 고분자전해질
• 연료: 메탄올(CH₃OH)
• 운전 온도: 60~130℃
• 특징:
  • 연료 저장·운반이 쉬움 (액체 연료)
  • 소형 기기, 휴대용 전원에 적합
  • 출력과 효율이 낮음

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🎯 요약 비교 표

종류전해질온도연료주요 활용 분야

PEMFC	고분자막	저온	수소	수소차, 가정용
PAFC	인산	중온	수소/개질가스	건물용, 소형 발전소
MCFC	용융 탄산염	고온	수소/CO/CH₄	대형 발전, 산업용
SOFC	고체 산화물	고온	수소/CH₄ 등	고효율 발전, 열병합 발전
DMFC	고분자막	저온	메탄올	휴대용 기기, 소형 전원