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 nE는 이상적인 경우 반응의 Gibbs 자유에너지 감소에 해당한다.
nE = -G
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2012.02.17
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