개념 한 쪽
연료전지는 연료와 산화제의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 전해질은 이온을 전달하는 역할을 하며, 전극별로 공급되는 물질과 전해질 종류에 따라 연료전지의 형태가 결정된다.
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출제기준 단원 「연료전지」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 전해질 물질 구분 | 1 | 제시 물질이 전해질인지 지지체인지 구분하기 |
| 연료전지 유형 선별 | 1 | 전해질명 또는 특징으로 연료전지 유형을 가리기 |
| 전지 열역학 계산 | 1 | 기전력에서 자유에너지 변화량을 계산하기 |
연료전지는 수소와 산소의 반응을 통해 전기를 생산하는 장치이다. 반응 과정에서 전자는 외부회로를 통해 흐르고, 이온은 전해질을 통해 이동하여 전기 회로가 완성된다. 따라서 전해질은 이온 전도성을 가져야 하며, 전해질의 물질에 따라 연료전지의 명칭과 운전 특성이 달라진다.
전해질로는 인산, 용융탄산염, 자르코늄 기반의 산화물 등 이온을 전도하는 물질이 사용된다. 고분자 전해질 막 연료전지(PEMFC)는 나피온과 같은 고분자 이온전도체를 전해질로 사용한다. 반면 테프론 고분자막은 주로 소수성 지지체나 분리막 역할을 하며, 이온을 직접 전도하는 전해질 자체로 분류되지 않는다.
연료전지는 전해질 종류에 따라 알칼리형, 인산형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC), 고분자전해질형(PEMFC), 고체산화물형(SOFC) 등으로 분류된다. 문제에서 '이온전도성 산화물'을 전해질로 사용하는 경우는 고체산화물연료전지(SOFC)로 분류되며, SOFC는 고온에서 운전하는 특성을 가진다.
전극의 역할을 구분하면 애노드(음극)에서는 연료가 산화되어 전자를 방출하고, 캐소드(양극)에서는 산소 등 산화제가 전자를 받아 환원반응이 일어난다. 따라서 캐소드에는 산소가 공급된다는 점을 기억하면 전극별 공급 물질을 구분하기 쉽다.
대표 계산 문제는 전지의 기전력과 자유에너지 변화를 연관지어 푸는 유형이다. 자유에너지 변화 ΔG는 ΔG = -nFE 공식을 사용하여 계산한다. 예컨대 어떤 전지의 기전력이 0.418 V이고 반응에서 이동한 전자 몰수가 n=2이면, 패러데이 상수 F≈96500 C·mol⁻¹를 이용하여 ΔG = -2 × 96500 × 0.418 ≈ -80,674 J가 된다. 이를 kcal로 환산하면 약 -19.3 kcal가 되므로 자유에너지는 음수이며 반응이 자발적임을 나타낸다.
물질 구분형 문제에서는 '이온을 운반하는가' 여부를 기준으로 답을 고른다. 예를 들어 테프론은 이온 전도체가 아니므로 전해질이 아니라 지지체/분리막으로 판별한다. 전해질 명칭을 묻는 문제에서는 '고체 산화물 → SOFC', '용융 탄산염 → MCFC', '인산 → PAFC', '고분자 막 → PEMFC'로 대응하면 빠르게 해결할 수 있다.
연료전지에 쓰이는 전해질이 아닌 것은?
정답 ④ · 문제는 연료전지에서 전해질의 역할을 하는 물질을 고르라는 것이다. 전해질은 이온 전도성을 가져야 하므로 인산, 지르코니아(산화지르코늄), 용융탄산염 등은 전해질로 쓰이지만 테프론은 전기적으로 비활성한 고분자 막으로 주로 지지체나 분리막 역할을 하므로 전해질이 아니다.
연료전지 전해질은 이온 전도체여야 하므로 고분자 막은 전해질이 아니다.
다음 중 연료전지의 형태에 해당하지 않는 것은?
정답 ④ · 문제는 연료전지의 유형에 해당하지 않는 것을 묻고 있다. 상용화된 연료전지 유형으로는 알칼리형, 인산형, 용융탄산염형 등이 있으며 질산형이라는 전해질 기반 연료전지는 존재하지 않는다.
연료전지의 주요 형태는 알칼리, 인산, 용융탄산염 등이며 질산형은 존재하지 않는다.
연료전지에 있어서 캐소드에 공급되는 물질은?
정답 ① · 문제는 연료전지에서 캐소드에 공급되는 물질을 묻는다. 연료전지의 캐소드에서는 환원 반응이 일어나므로 산화제가 공급되어야 하고 일반적으로 공기나 산소가 공급된다.
연료전지에서 산화반응이 일어나는 애노드에는 수소가, 환원반응이 일어나는 캐소드에는 산소가 공급됩니다.
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