연료전지란

[김동석]

연료전지란

• 연료의 산화(酸化)에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지
• 일종의 발전장치(發電裝置)라고 할 수 있으며 산화 ·환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만, 닫힌 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어, 반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거됨. 가장 전형적인 것에 수소-산소 연료전지가 있음
• 수소 외에 메탄과 천연가스 등의 화석연료(化石燃料)를 사용하는 기체연료와, 메탄올(메틸알코올) 및 히드라진과 같은 액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지의 연료전지가 나왔으며 이 중에서, 작동온도가 300 ℃ 정도 이하의 것을 저온형, 그 이상의 것을 고온형이라고 함. 또, 발전효율의 향상을 꾀한 것이나, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 용융탄산염(溶融炭酸鹽) 연료전지를 제2세대, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라고 함

연료전지 발전원리(예: 수소-산소 연료전지)

• 연료중 수소와 공기중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전
  • ①연료극(양극)에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리 →
  • ② 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동 →
  • ③공기극(음극)쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물(물)을 생성
  • ⇒최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열생성

특징 및 시스템 구성도

특징

• 발전효율이 40∼60 % 이며, 열병합발전시 80% 이상 가능
• 천연가스, 메탄올, 석탄가스 등 다양한 연료사용 가능
• 환경공해 감소 : 배기가스중 NOx, SOx 및 분진이 거의 없으며, CO2 발생량에 있어서도 미분탄 화력발전에 비하여 20∼40% 감소
• 회전부위가 없어 소음이 없으며, 기존 화력발전과 같은 다량의 냉각수 불필요
• 도심부근 설치가능하여 송배전시의 설비 및 전력 손실 적음
• 부하변동에 따라 신속히 반응하며, 설치형태에 따라서 현지 설치용, 분산 배치형, 중앙집중형 등의 다양한 용도 사용 가능

연료전지 발전시스템 구성도

• 개질기(Reformer)
  • 연료인 천연가스, 메탄올, 석탄,석유등을 수소가 많은 연료변환시키는 장치
• 단위전지 (Unit Cell)
  • 연료전지 단위전지(Cell)는 기본적으로 전해질이 함유된 전해질 판, 연료극(anode), 공기극(cathode), 이들을 분리하는 분리판 등으로 구성
  • 이 단위전지(Cell)에서 전류를 인출하는 경우 통상 0.6∼0.8V의 낮은 전압이 생성
• 스택(Stack)
  • 원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체
• 전력변환기(Inverter)
  • 연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치

연료전지의 종류 및 특징

• 전해질 종류와 동작온도에 의한 분류
  
  

  	알카리형(AFC)	인산형(PAFC)	용융탄산염형 (MCFC)	고체산화물형 (SOFC)	고분자전해질형(PEMFC)
  전 해 질	수산화칼륨(KOH)	인 산(H3PO4)	탄 산 염(Li2CO3 + K2CO3)	질코니아(ZrO2+Y2O3)	이온교환막 (Nafion)
  동작온도 (℃)	50∼150	150∼220	600∼700	약 1000	상온∼100
  효율(%)	60	36∼45	45∼60	50∼60	40∼50
  시 기	수소에너지 이용 시대	'90년대후반	2010년대 초반	2010년대 초반	2000년대 초반
  용 도	군사용,위성용	전력용, 자가 발전용	중.대용량 전력용	소·중 .대용량 발전	정지용,이동용

  • 주)AFC : Alkaline Fuel Cell, PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell, MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell, SOFC : Solid Oxide Fuel Cell, PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Cell
    
    
  • 주) 전해질(電解質: electrolyte)
  • 물등의 극성용매에서 이온화되어 전기전도를 하는 물질
  • 용액 속에서 양이온과 음이온으로 무질서하게 해리(解離)되며 이와 같은 용액 속에 전극을 넣고 전압을 가하면, 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 끌려서 이동하여, 결과적으로는 용액을 통해서 전류가 생김. 이온으로 해리하는 전리도가 높은 것일수록 전기전도성이 좋은데 이것을 강한전해질이라 하고, 그 반대의 것을 약한 전해질이라고 함
  • (강한전해질 : 알칼리금속의 할로겐화물, 산소산염 등 강한산과 강한염기에 의해서 생기는 염이나 강한산· 강한염기 그 자체 등. 약한전해질: 아세트산암모늄 등은 전리도가 낮고 약한산·약한염기에 의해서 생기는 것)

연료전지 발전 추이

• 알칼리형(AFC : Alkaline Fuel Cell)
  • 1960년대 군사용(우주선 : 아폴로 11호)으로 개발
  • 순 수소 및 순 산소를 사용
• 인산형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell)
  • 1970년대 민간차원에서 처음으로 기술개발된 1세대 연료전지로 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 이용
  • 현재 가장 앞선 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있음
• 용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)
  • 1980년대에 기술개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지,대형건물의 분산형 전원으로 이용
  • 미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중
• 고체산화물형(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)
  • 1980년대에 본격적으로 기술개발된 3세대로 MCFC보다 효율이 우수한 연료전지로 대형발전소, 아파트단지, 대형건물의 분산형 전원으로 이용
  • 최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나 우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이 가장 낮음
• 고분자전해질형(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane)

  • 1990년대에 기술개발된 4세대로 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용
  • 가장 활발하게 연구되는 분야이며, 실용화 및 상용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있음
  [국내외 기술현황 비교]

  구 분		인산형	용융탄산염형	고체산화물형	고분자전해질형
  용 도		건물, 병원	대형건물, 발전소	대형건물, 발전소	자동차, 이동용, 가정용
  용 량		100kW∼MW 이하	MW이상	MW이상	100W∼100kW 이하
  건설단가 (현재/목표)		3,000$/kW(1,500$)	4,000$/kW(1,200$)	5,000$/kW(1,500$)	4,000$/kW(1,500$)
  기술개발	미국	200kW급 제품판매	280kW급 스택개발 2MW급 플랜트 실증	25kW급 스택개발 250kW급 실증	7.5kW급 가정용으로 실증
  	한국	50kW급 시스템개발중	100kW급시스템개발중	100W급 실패	5kW급 시스템개발중
  실용화시기 (미국/ 한국)		1999(2006)	2005(2008)	-	2004(2006)
  향후 기술개발 추진 계획		-	2006년까지 250kW급 시스템 개발	-	2006년이후 3kW급 국산화 하여 보급

  [그림 : 5kW급 고분자 연료전지 시스템 개발]
  
  
  [그림 50kW급 인산형 연료전지 스택제조 및 운전기술개발]
  
  
  [구성요소별 기술개발 내용]

  대분류	중분류	소분류	기술개발내용
  본체제작기술 (STACK) H2와 O2로 전기 화학 반응을 일으키는 장치 (전기,열 생산)	요소기술	재료기술	촉매성능향상 재료특성 향상
  		제조기술	전극(ANODE, CATHOD) 분리판 매트릭스
  	적층기술	설계기술	단위전지 스택설치 냉각 및 유체 이동
  		구성기술	단위전지 적층 스택구성 및 최적화 스택밀봉
  주변기술 및 운영 - 연료를 개질하여 수소로 만드는 장치 - 생산된 직류전기를 교류로 전환 장치 - 연료전지시스템 설치/운전 기술	주변기술	연료개질기(REFORMER)	개질촉매 및 반응조건 최적화 연구 Reactor 개발 및 운전
  		전력변환 (INVERTER)	직류/교류 변환기(Inverter) 부하 및 시스템 제어기술
  	시스템종합 및 운영 기술	시스템종합	시스템 설계 시스템 최적화 및 구성설치
  		운영기술	발전플랜트 설치 운전특성

국내ㆍ외 기술개발 현황 및 동향

해외 현황

기술동향 및 수준

• 미국은 1970년대, 일본은 1980년대 초부터 본격적인 개발에 착수
  • 1839년 영국의 W.R. Grove가 발명, 1952년 F.T.Bacon이 베이컨 전지를 개발하여 특허를 취득한 후 미국에서 이 특허를 개량하여 1969년 아폴로 11호에 탑재하였음
• 인산형
  • 1990년대 중반 미국 ONSI사에서 200㎾급 발전시스템을 북미, 아시아, 유럽에 2000년까지 총 206대를 보급(구입비의 1/3 정부보조, 1대당 80만$)하였으며 11MW급 실증시험 중
  • 일본은 50∼200㎾급 모델시판 및 7.5MW급 실증시험 중
• 용융탄산염형
  • 미국은 '99년도에 280㎾급 모듈 및 2㎿급 발전시스템(산타클라라) 실증완료하고 자국의 지자체 또는 유럽에서 1MW급을 실증시험할 예정(실용화단계)
  • 일본(1MW 실증시험 완료), 이태리(100㎾급 스택개발)가 집중투자
• 고체산화물형 : 250㎾급 발전시스템 실증시험 중
  • 최근에 가정용, 자동차용 등의 소용량의 연구가 대용량과 함께 선진국을 중심으로 연구가 진행되고 있음
    
• 고분자전해질형
  • 미국, 캐나다가 기술을 선도하고 있으며 100㎾급 이하의 자동차용과 7.5㎾급을 가정에 보급하여 실증시험 중
  • 자동차용, 이동용, 가정용, 분산전원용 등으로 이용범위가 광범위하여 향후 가장 먼저 실용화가 예상되는 분야로 최근에 선진국에서 집중투자를 하고 있음

기술개발현항 및 분석

• 선진국 연료전지기술은 이미 실증연구 및 실용화단계에 와 있으며, 미국과 일본이 실용화 기술을 보유하고 있는 실정
  • 정부가 적극 지원, 기업이 모든 기술을 보유하고 있기 때문에 핵심기술은 기업 비밀로 되어있는 상황
  • 실용화단계 : 인산형으로 100kW, 200kW급 분산형 전원으로 전 세계적으로 200기 이상 보급되어 있고 MW급 발전소 실용화 추진 중이며, 고분자 전해질형은 7.5kW급이 가정용으로 실증단계를 거쳐 실용화 단계에 있음
  • 실증연구단계 : 용융탄산염형으로 280kW급을 모듈형으로 2∼11 MW급 발전플랜트 실증실험을 완료
  • 기술개발단계 : 고체산화물형으로 250kW급 모듈형 개발
• 기존 기술과 경쟁성 확보를 위해 설비 단가를 감소시키는 등 경제성 확보에 주력하고 있는 상황
  • 저가격화 : 재료 저가격화, 부품 공용 및 표준화, 유지 및 운전비용 저감, 열병합화, 중량 및 크기 축소 등
  • 스택 개선 : 구성소재 개선, 전력밀도 개선, 신뢰성 향상, 수명향상
  • 발전시스템 개선 : 개질기(LNG, LPG, 메탄올, 바이오가스 등 연료 다양화) 및 냉각시스템(수처리장치 등) 등 주변기기 개선
  • 적용 분야 확대 및 시장 개척

국내 현황

연구비 지원현황

• '88년부터 '2001년까지 연료전지 개발에 38과제 총 59,329백만원을 투자하였으며, 그중 30,208백만원을 정부에서 지원
  [표- 연구비 지원현황]

  구분＼년도		'88∼'95	'96	'97	'98	'99	2000	2001	계
  과제수	신 규	26	1	2	2	1	4	2	38
  	계 속	49	4	4	4	5	3	4	73
  	계	75	5	6	6	6	7	6	111
  사업비(백만원)	정 부	7,842	2,464	3,792	3,959	4,292	3,280	4,579	30,208
  	민 간	9,714	2,113	3,628	4,281	3,382	2,047	3,956	29,121
  	계	17,556	4,577	7,420	8,240	7,674	5,327	8,535	59,329

국내 기술개발현황 및 분석

추진현황

• 1985년부터 에너지기술연구소와 한전기술연구소 공동으로 5.9kW 인산 연료전지 본체를 수입하여 성능실험을 한 것이 효시임
• 1987년 부터 6년 계획인 국책연구사업으로 2 kW급 인산형 연료전지 발전기 개발(과기부)
• 1989년부터 산자부의 대체에너지 기술개발사업 계획에 의해 4개분야 연료전지를 본격적 시작
• 1993년부터는 선도기술개발사업(G-7사업)의 신에너지분야로 연료전지 개발 프로그램을 확정하여 2000년까지 추진
• 연료전지 발전시스템 가격은 스택 50%, 개질시스템 20%, 열교환기 10%, 전력변환기 15 % 기타주변기기 5%로 구성
  • 스택은 가격저하를 위해 중점적으로 기술개발이 필요한 분야로 국내는 10여년간 스택기술개발에 치중하였음
  • 스택제조에 필요한 주요 원료는 50%이상 수입하고 있어, 구성요소제작 및 국산화 연구가 필요
• 시스템 용량확대를 위해 단계별로 추진하였으나 주변기술의 기술개발과 시스템 운전기술이 취약
  • 주변기기인 개질기, 전력변환기, 시스템 종합 등은 1999년부터 연구되고 있음
• 연료전지는 복합시스템기술로 다양한 분야의 전문인력이 필요하나 국내는 5∼6개 기관에 약 50여명의 전문가가 있음
  • 기업의 참여유도 및 대학 등에 전문연구인력 육성 필요

기술개발현황

• 인산형 : '89년부터 '92년까지 구성요소, 소재기술 등 기초연구를 완료하고 '93년부터 본격적으로 시스템 연구를 진행하여 현재 LG정유에서 50kW급 발전시스템 실용화 연구추진 (2002 종료)
  • 가스공사(1대, '94년) 및 현대중공업(2대, '98년)에서 미국제품인 200kW급 시스템을 수입('98)하여 운전연구를 완료
  • 2006년 이후 50kW급 실용화가 가능하며 선진국과 5∼7년의 기술격차
• 용융탄산염형 : '89년부터 '92년까지 대학을 중심으로 기반기술연구를 완료하고 '93년부터 본격적으로 발전시스템 연구를 진행하여 현재 한전 전력연구원에서 100kW급 발전시스템 연구중 (2005년 종료)
  • 효성중공업, 삼성엔지니어링이 참여기업으로 KIST, RIST, 대학이 위탁기관으로 공동연구를 수행
  • 2008년 이후 MW급 건설이 가능하며 선진국과 10년정도 기술격차
• 고체산화물형 : 쌍용양회에서 100W급 기술개발을 추진하였으나 실패하고 현재는 기초자료로 활용중
  • 선진국과 기술격차가 가장 크며, 국내의 참여기업 부재로 연구가 대학 및 연구소 중심으로 기초연구를 수행
  • 쌍용양회는 '97년 IMF 등으로 연료전지 연구팀을 해체
• 고분자전해질형 : 추진된 연구과제는 5과제에 불과하나 타 분야의 기술개발 축적으로 가장 먼저 실용화가 예상되는 분야임
  • 한국에너지기술연구소에서 가정용으로 5kW급의 실용화 연구완료(2001)하였으며, LG-Caltex에서 참여하였음
  • 현대자동차 및 대우자동차에서 자동차용으로 기술개발을 추진(CARTECH)
  • 2006년 이후 3kW급이 10,000대이상 보급될 것으로 예상됨
  [연료전지 기술개발 기본계획 및 추진실적]

  구 분		'97∼2001	2002∼2006
  인산형	계획	200kW급 발전시스템 MW급 시스템 운영기술	200kW급 상용화 MW급 발전 플랜트 건설
  	실적 및 계획	50kW급 스택요소기술개발 50kW급 발전시스템 개발	50kW급 발전시스템 실용화
  용 융 탄산염	계획	100kW급 외부개질형 발전시스템 20kW급 내부개질형 발전시스템	MW급 시스템 개발 및 운용기술 확보 100kW급 내부개질형 시스템 (현지 설치형)
  	실적 및 계획	외부개질 : 25kW급 개발 100kW급 개발중 내부개질 : 5kW급 개발 10kW급 개발 중	외부개질 : MW급 내부개질 : 10kW급 실용화개발
  고 체 산화물	계획	10kW급 발전시스템 및 실증시험	100kW급 시스템 개발 및 실증 시험
  	실적 및 계획	100W급 스택개발 기초자료로 활용	5kW급 발전시스템 개발
  고분자 전해질	계획	15kW급 스택 및 시스템 개발	25kW급 시스템 실증시험
  	실적 및 계획	5kW급 스택요소 기술 개발 5kW급 시스템 기술개발	요소기술 국산화 및 보급사업 (실용화 보급은 3kW급)
  직 접 메탄올	계획	최근에 부각되는 기술로 기본계획 수립시 미 반영된 기술임
  	실적 및 계획	100W급 기술개발 중	100W급 요소기술 국산화 및 보급사업

  
  

향후 기술개발 추진 계획

• 인산형 : 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 활용되도록 추진
  • 2000년부터 50kW급 실용화을 위해 도시가스 이용 개질기, 시스템운전, 경제성 및 안전성 연구 추진 (2002년 종료)
    • 2006년까지 신뢰성확보를 위한 실증시험 연구 및 요소기술의 저가화 및 국산화 연구를 추진하여 실용화할 수 있도록 추진
    • 기본계획상의 200kW급은 50kW급이 실용화되면 기업자체에서 추진할 수 있도록 보조금, 설치자금 융자, 발생전력 구매 등 실용화 여건 조성
  • ※ 인산형 연료전지 : 50kW급 발전시스템 연구완료단계(2002.12)
  • - 기초연구(89∼'92) → 스택용량 확대('93∼'99) → 시스템화 연구('00∼'02) → 실증연구('03부터)
  • * 향후계획
  • - 50kW급 인산형 연료전지발전시스템 실증연구 필요(2003년 부터)
  • - 요소기술의 국산화연구 필요(분리판, 촉매 등)
  • - 연료개질기 및 인버터 연구필요하나 용융탄산염형에서 연구개발중이므로 향후 사용 가능
    
    
• 용융탄산염형 : 대형 발전소, 대형건물 및 아파트의 분산전원용으로 이용
  • 외부개질형 : 2000년도에 25kW급 시스템 보완 및 실험을 완료하였으며, 2001년부터 100kW급 시스템 개발 진행 중(2005 종료)
    • 2006년까지 250kW급을 모듈화하여 MW급 시스템을 개발할 수 있는 여건 조성을 하여 실제 MW급 시스템 제작 및 운영은 발전회사에서 추진하도록 함
  • 내부개질형 : 정부출연연구소(KIST)에서 5kW급을 추진하여 시스템을 개발하였으나 관련기업 부재로 사업을 축소하여 추진
    • 현재 외부개질형으로 수행하고 있는 전력연구원 수행과제의 위탁사업으로 10kW급 기술개발을 추진 중
  • ※ 용융탄산염형 연료전지 : 100kW급 발전시스템 연구중(2005 완료)
  • - 기초연구('89∼'92) → 2kW급('93∼'96) → 25kW급('97∼'99) → 100kW급('00∼'05) → 250kW급('06부터)
  • * 향후계획
  • - 250kW급 인산형 연료전지발전시스템 연구 필요(2006년부터)
    
    
• 고체산화물형 : 효율이 가장 우수한 연료전지로, 최근에 소·중·대형으로 모든 분야에 이용가능한 것으로 알려져 있으나 다른 연료전지에 비해 기술이 뒤쳐짐
  • 100W급 스택개발 완료(쌍용에서 수행되었으나 불량으로 평가됨)되었고, 현재 전해질 기초연구를 요업기술원에서 수행
  • 현재 기술수준이 선진국과 현격하게 차이가 있고, 향후 100kW급 개발을 위해서는 최소 10년 개발기간과 약 300억원 이상의 예산 필요
  • 연료전지 중 가장 우수하고, 선진국에서 가장 투자를 많이 하고 있으며, 향후 기술개발 진보 등으로 국내에서는 용량을 1∼5kW급으로 관련기업를 유도하여 사업을 추진
    • 2002년에 과제공모를 하여 2006년까지 소용량으로 개발
  • ※ 고체산화물형 연료전지 : 기초연구 수행완료, 향후 소용량 시스템개발추진
  • - 기초연구('89∼'94) → 100W급('94∼'97) → 기초연구('98∼'01) → 소용량(1∼5kW급) 시스템('02부터)
    
    
• 고분자전해질형 : 가정용, 이동용, 자동차용 등으로 이용하며, 최근에 가장 진보된 기술로 가정용으로 기술개발하여 보급
  
  
  • 5㎾급 시스템은 실용화 기술 개발완료(2001.12)
    • 2006년까지 용량증대보다는 5kW급의 요소기술 국산화 및 저가화를 추진하고 또한 실증실험을 통하여 실용화할 수 있도록 기술개발을 추진
  • ※ 고분자전해질 연료전지 : 가정용 5kW급 시스템 완료, 향후 실증연구추진
  • - 기초연구('89∼'93) → 스택용량 확대('94∼'98) → 시스템화 연구('99∼'01) → 국산화 및 실증연구
    ('02부터)
    
    
  • * 향후계획
  • - 발전시스템 실증연구 필요(2002년부터)
  • - 요소기술의 국산화연구 필요(분리판, 전해질, 촉매 등)
  • - 보급을 위한 대량생산 기술연구 필요
    (특히 실용화 보급을 위해 가정용에 필요한 3kW급으로 자동화연구, Compact화, 내구성 연구 추진)

기술개발결과 및 실용화 관련

• 인산형 연료전지는 10kW, 50kW스택 및 요소기술은 (주)LG-Caltex정유에서 개발완료단계로 발전시스템 실용화 기술개발 완료(2002.12)되었으며, 상용화되기까지 지속적인 연구개발 필요
• 용융탄산염 연료전지25kW급은 개발완료('99)하여 현재 한전 전력연구원에서 100kW급 발전시스템건설 중임
• 고분자 전해질 연료전지는 현재 한국에너지기술연구원에서 5kW시스템 실용화 및 이용기술의 연구 완료 (2001.12완료) 되었으며 최근 민간기업의 참여로 2006년 상용화 예상(3kW급)
• 직접메탄올 연료전지는 현재 (주)LG화학에서 100kW급 실용화기반기술 수행중(2004.1 완료)
• 연료전지의 도입 촉진을 위해서는 다음의 제도 마련 필요
  • 연료전지발전 취득가의 세제 공제 예) 일본, 미국 소득세 법인세에서 기준취득가 약 10% 이내 공제
  • 설치비의 일정액 지원 (예, 일본, 미국 약 30% 지원)
  • 설치비 저금리 융자 혜택
  • 생산된 전력의 가격 보장 및 의무 구입
  • 한전전력과의 연계기준을 위한 제도 마련
    
    

[전지(電池 : cell)]

화학적 또는 물리적 반응을 이용하여 전기에너지를 얻는 직류전원(直流電源) 현재 실용화되어 있는 전지는 화학적 방법에 의한 것이 대부분이고, 물리적인 전지는 특수한 분야에서만 사용되며, 1개의 전지에서 얻을 수 있는 에너지도 매우 적음 화학적인 전지는 1차전지와 2차전지로 나누어짐 1차전지는 작용물질을 전극 가까이에 미리 넣어 두고, 이 물질의 화학변화에 의해 생기는 전기에너지를 이용하는 것으로, 작용물질의 화학변화가 끝나면 수명(壽命)을 다하여 재생할 수 없게됨. 이것에는 많은 종류가 있는데, 건전지로서 널리 사용됨. 2차전지는 전에너지를 방출하여 작용물질이 변화한 후 전지에 전기에너지를 공급, 즉 충전함으로써 작용물질이 재생되어 이를 되풀이할 수 있는 것으로, 축전지로서 많이 사용됨. 연료전지는 넓은 뜻의 1차전지이며, 작용물질을 계속 외부로부터 공급하는 형식임 이에 대한 발상은 19세기 초부터 있었으나, 실용화된 것은 얼마 전의 일이며, 물리작용을 이용하는 전지에는 태양전지·열전지· 광전지(光電池) 등이 있음