연료 전지의 정의와 원리에 대한 이해와 연료 전지의 화학반응

연료 전지의 정의와 원리에 대한 이해와 연료 전지의 화학반응에 대한 내용을 정리해보도록 하겠습니다.

 

연료 전지의 정의와 원리에 대한 이해

연료 전지 정의

연료 전지라는 단어는 연료와 전지의 합성어로 단어만으로도 유추할 수 있듯 연료를 이용하여 전기를 만들어내는 장치라고 직관적으로 파악이 가능합니다. 물론 간단한 정의 뒤에 연료 전지의 작동원리는 상당히 복잡한 화학반응과 구성으로 이루어져 있습니다. 연료 전지의 작동 원리를 이해하는 것은 쉽지 않은 것일 수 있지만 전자, 이온, 전기가 어떤 것인지 이해하게 되면 다소 복잡한 작동원리에 대한 이해가 가능해집니다. 

 

 

원자와 이온화의 개념 이해

우선 원자라는 개념을 통해 전자와 이온이 무엇인지 정리해보도록 하겠습니다. 가장 간단한 원자인 수소 원자를 통해 설명을 하자면, 수소 원자는 마이너스 전하를 가지고 있는 전자 하나와 플러스 전하를 가지고 있는 양성자 하나로 이루어져 있습니다. 양성자의 개수만큼 중성자 수가 존재하고 있습니다. 양성자나 전자의 개수가 주기율표 상에서 원자번호가 됩니다. 수소 원자의 경우 각각 1개씩 존재하므로 수소의 원자번호는 1번입니다. 모든 원소는 양성자와 전자의 개수가 서로 같기 때문에 원자는 전하적으로 중립 상태에 있습니다. 이때 이온화라고 하는 것은 원자가 전자를 보내거나 받게 되어 음이온이나 양이온 상태가 되는 과정을 말합니다. 수소는 전자를 내보내려 하는 성질을 가지고 있기 때문에 수소를 이온화하게 되면 양성자와 중성자가 남아 플러스를 띄며 양이온이 되는 성질을 보유하고 있습니다. 산소의 경우를 추가적으로 예로 들겠습니다. 산소는 8개의 전자와 양성자로 구성되어 있으며, 이온화가 진행되면 2개의 전자를 받을 수 있어 음이온이 되는 성질을 가지고 있습니다. 이온화는 원소에서 전자를 붙이거나 떼는 과정입니다.

 

 

전류 발생 과정에 대한 이해

전류라고 하는 것은 전자의 흐름을 이야기합니다. 수소가 이온화 반응을 통해 전자가 생기게 되고 전자는 자유롭게 이동시킬 수 있는 성질을 가지고 있기 때문에 전자가 이동하는 과정에서 전류가 발생하게 됩니다. 산소가 이온화하는 경우에는 두 개의 전자를 어딘가에서 공급을 받아야 하며 공급을 받는 과정에서 전류가 발생하게 되는 것입니다. 연료 전지는 이온화 과정에서 생기는 전자가 이동하며 생기는 전류를 이용하여 전기를 생산해내는 것입니다. 

 

 

연료 전지의 화학반응 

연료 전지의 반응식

연료 전지의 반응식은 산소와 수소가 만나 물이 되는 과정입니다. 반응식만 살펴본다면 산소와 수소가 만나면서 연소가 일어나고 열과 빛을 발산하는 수소 연소식과도 같습니다. 연소 반응은 산소와 연료가 섞여 있는 상태에서 일어나며 연소가 한번 시작되면 주변 연료들이 다 타서 없어질 때까지 지속해서 연쇄반응이 이어지기 때문에 반응 속도 제어가 불가능합니다. 반면 연료 전지는 산소와 수소가 공간적으로 분리되게 만들어서 연쇄 반응을 제어하고 반응 속도를 통제하는 것을 통해 전기 발생을 유도합니다. 연료전지는 공간적인 분리를 통해 두 개의 반쪽 반응으로 화학식이 만들어져 있고, 이 화학식은 앞서 설명한 수소와 산소의 이온화와 전자 이동을 나타내고 있습니다. 

 

이온화 반응을 위한 촉매와 전해질

촉매는 이온화 반응을 진행시키는데 필수적이며 백금이 상온에서는 가장 좋은 촉매라고 합니다. 두 백금 촉매를 이으면 수소에서 생긴 전자가 산소로 이동이 가능한 통로가 만들어집니다. 그리고 수소 이온이 이동할 수 있는 전달통로가 되는 전해질이 필요하게 됩니다. 전해질로 사용되는 대표적인 물질은 염산이나 황산과 같은 산성용액입니다. 산성 용액에서는 자유롭게 수소 이온이 이동 가능하며 산성 용액은 채워 연료 전지 동작이 가능하도록 만들게 됩니다. 최근 발전한 기술로 취급이 어려운 위험한 산성 액체를 대체할 고체 산화물 전해질이나 고분자막 전해질을 사용하기도 합니다.