연료전지의 작동 원리와 구성

[연료와윤활]

연료전지의 작동 원리와 구성

기존의 가솔린 내연기관이 석유(가솔린) 등 혼합연료를 폭발시킨 힘으로 구동축을 돌리는 데 비해, 연료전지는 전기모터가 구동축을 돌리게 되어 있다. 이 때 전기모터를 돌리는 에너지를 생산해 내는 것이 바로 연료전지이다.

연료전지의 구조는 전해질을 사이에 두고 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하며 두 전극을 통하여 수소이온과 산소이온이 지나가면서 전류를 발생시키고 부산물로서 열과 물을 생성한다.

연료전지의 음극(Anode)을 통하여 수소가 공급되고 양극(Cathode)을 통하여 산소가 공급되면 음극을 통해서 들어온 수소분자는 촉매(Catalyst)에 의해 양자(H+)와 전자로 나누어진다. 나누어진 양자와 전자는 서로 다른 경로를 통해 양극에 도달하게 되는데, 양자는 연료전지의 중심에 있는 전해질(Electrolyte)을 통해 흘러가고 전자는 외부회로를 통해 이동하면서 전류를 흐르게 하며 양극에서는 다시 산소와 결합하여 물이 된다.

연료전지를 이용한 발전시스템은 크게 다음과 같이 세부분 으로 구성된다.

* 연료변환기 / 연료전지(fuel cell stack) / 인버터

연료변환기는 천연가스나 메탄올, 가솔린 등 탄화수소 연료를 진한 수소가스로 변환시켜주는 장치다. 이렇게 변환된 수소가스와 공기중의 산소는 전류를 얻기 위해 연료전지스택으로 공급된다.

연료전지스택 내에서 화학반응으로 발생된 전류는 DC전류이며 인버터를 통해 AC전류로 변환된다.

현재 개발중인 연료전지는 수소와 메탄올, 청정 가솔린 등을 연료로 이용하고 있으며, 수소는 직접 에너지로 사용되고 메탄올과 청정 가솔린은 일단 수소로 전환시킨 뒤 모터를 돌리는 에너지를 생산하게 된다. 따라서 수소를 직접에너지로 사용하는 연료전지차의 경우 연료변환기 장치가 필요없다.

가솔린 내연기관의 에너지 효율이 20%에 불과한데 비해, 연료전지의 에너지 효율은 40∼60%로 에너지 효율이 극히 높으며, 물 이외는 아무 것도 배출되지 않는 친환경 에너지이다.