화학 고3 산화·환원 반응 심화

연료 전지

Q: 연료 전지 하나로 자동차를 움직일 수 있나요?

전지 하나의 전압은 1.23,V 부근이라 턱없이 작습니다. 그래서 실제 차량에는 수백 개의 셀을 직렬로 쌓은 스택을 씁니다. 직렬로 이으면 전압이 더해지기 때문입니다.

수소·산소 등 연료를 직접 전기화학 반응시켜 전기를 생산하는 장치. 부산물은 물이므로 친환경적. PEM형·인산형·용융탄산염형 등 종류가 다양하다.

수소 같은 연료와 산소를 바깥에서 계속 공급받아, 태우지 않고 전기화학 반응으로 곧바로 전기를 얻는 전지입니다.

보통 건전지가 도시락이라면, 연료 전지는 수도꼭지입니다. 도시락은 다 먹으면 끝이지만, 연료를 계속 넣어 주는 한 연료 전지는 계속 전기를 냅니다.

쉽게 말하면

전기화학 전지는 전극 자체가 반응물이라 아연판이 다 녹으면 수명이 끝납니다. 연료 전지는 발상을 바꿔, 전극은 반응을 돕는 자리로만 두고 반응물을 밖에서 계속 흘려보냅니다. 그래서 연료가 공급되는 동안에는 전지가 소모되지 않고 계속 작동합니다.

가장 대표적인 수소·산소 연료 전지에서 일어나는 일은 결국 수소가 타는 반응과 같습니다. 다만 불꽃 없이, 두 전극으로 갈라서 시킬 뿐입니다.

$(-) H_{2} \to 2 H^{+} + 2 e^{-} (+) O_{2} + 4 H^{+} + 4 e^{-} \to 2 H_{2} O$

전자 수를 맞추어 합치면 $2 H_{2} + O_{2} \to 2 H_{2} O$ 입니다. 생성물이 물뿐이므로 작동 중에 이산화 탄소나 매연이 나오지 않습니다. 표준 상태에서 이 전지의 기전력은 약 $1.23 V$ 입니다.

연료 전지가 효율이 높은 진짜 이유는 '열을 거치지 않기 때문'입니다. 화력 발전은 연료를 태워 물을 끓이고 터빈을 돌려 전기를 얻는데, 이 과정에서 열의 상당 부분이 원리적으로 버려집니다. 연료 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 곧장 바꾸므로 이 손실을 우회합니다.

종류는 전해질이 무엇이냐로 갈립니다. 고분자 전해질막(PEM)형은 얇은 막을 전해질로 써서 비교적 낮은 온도에서 작동하므로 자동차에 쓰기 좋고, 인산형은 인산을, 용융 탄산염형은 녹은 탄산염을 전해질로 씁니다. 전해질이 다르면 실제로 전극 사이를 오가는 이온의 종류가 달라지므로, 반쪽 반응식의 모양도 조금씩 달라집니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

수소 연료 전지의 전체 반응

$2 H_{2} + O_{2} \to 2 H_{2} O$

수소를 태울 때와 반응식이 똑같습니다. 차이는 에너지가 나오는 형태입니다. 태우면 대부분 열로 나오고, 연료 전지에서는 상당 부분이 전기로 나옵니다.
예시 2

왜 배기구에서 물이 나오나

수소 연료 전지 자동차의 배기구에서 물방울이 떨어지는 것은 고장이 아닙니다. 반응 생성물이 물뿐이기 때문입니다. 다만 이는 '자동차가 달리는 동안'의 이야기이고, 그 수소를 어떻게 만들었는지는 별개의 문제입니다.
예시 3

연료 전지와 전기 분해는 서로 거울상

$2 H_{2} O ⇌ 2 H_{2} + O_{2}$

전기 분해는 전기를 넣어 물에서 수소와 산소를 만들고, 연료 전지는 수소와 산소를 합쳐 물을 만들며 전기를 냅니다. 남는 전기로 수소를 만들어 저장했다가 필요할 때 다시 전기로 꺼내 쓰는 구상이 여기서 나옵니다.

자주 하는 오해

연료 전지를 '충전해서 쓰는 배터리'로 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움연료 전지는 충전해 두었다가 쓰는 배터리의 한 종류다

실제로는연료 전지는 에너지를 저장하는 장치가 아니라, 공급받은 연료를 그 자리에서 전기로 바꾸는 발전 장치입니다.

배터리는 안에 든 반응물을 다 쓰면 끝나거나 충전으로 되돌려야 합니다. 연료 전지는 반응물이 안에 들어 있지 않습니다. 연료 탱크가 비면 멈추고, 채우면 다시 돕니다. 전지라기보다 '연료로 돌아가는 작은 발전기'에 가깝습니다.

연료 전지가 쓰이면 그 자체로 탄소 배출이 0이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움배기가스가 물뿐이니 수소 연료 전지는 언제나 완전한 무탄소 에너지다

실제로는전지 자체는 물만 내놓지만, 그 수소를 어떻게 만들었느냐에 따라 전체 배출량이 달라집니다.

수소는 땅에서 캐내는 연료가 아니라 다른 에너지를 써서 만들어야 하는 '에너지 운반체'입니다. 화석 연료로 만든 전기로 물을 전기 분해했다면 이산화 탄소는 발전소에서 이미 나온 것입니다. 배출 지점이 옮겨 갔을 뿐이지요. 연료 전지의 친환경성은 수소를 어떻게 얻었는가와 묶어서 판단해야 합니다.