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수소연료 전지 목록

조회 : 19270 | 2009-11-30


[ 실험개요 ]


물의 전기 분해 시 발생한 수소와 산소를 이용하여 수소 연료 전지를 작동시켜 보자.





[ 실험재료 ]
백탄, 알루미늄 호일, 발광다이오드, 집게 전선, 비이커, 거름종이, 클립, 9V 전지, 스포이드, 지시약




[ 실험과정 ]
1. 물 200mL과 황산나트륨 1스푼을 녹인 용액에 지시약(페놀프탈레인)을 몇 방울 떨어뜨린다.
2. 백탄의 한쪽 부분을 알루미늄 호일로 감싼다.
3. 호일로 감싼 두개의 백탄을 서로 닿지 않도록 하여 앞에서 혼합한 수용액에 넣는다.
4. 백탄을 전지와 연결하고 5분 정도 전류를 흘려주면 지시약의 색이 붉게 변하는 것을 볼 수 있다.
(전지의 (+)극과 (-)극을 확인한다)
5. 전지를 제거한 후, (+), (-)극을 구분하여 다이오드와 연결한다.
6. 다이오드가 발광하는 것을 볼 수 있다.












[ 실험 원리 ]
물을 전기분해 하면 수소와 산소가 발생하는데, 연료전지는 물의 전기분해의 역반응으로 수소와 산소가 만나 물이 만들어지면서 에너지가 발생하는 원리를 이용한 것이다

수소-산소 연료전지가 각광받는 이유는 생성물이 물이기 때문에 환경오염이 없으며, 수소가 기체이므로 액화시키면 대량을 저장시킬 수 있고, 에너지 효율이 높기 때문이다.

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[ 더 알아보기 ]
1. 백탄이란?

백탄가마(또는 돌가마라고도 한다) 속에서 처음에는 비교적 저온으로 서서히 탄재의 열분해를 진행하고, 나중에는 가마의 통풍구를 충분히 열어 가마의 온도를 1,000 ℃ 내외로 올려 탄재의 열분해를 충분히 진행시킨다. 이어서 하얗게 달아오른 숯을 가마 밖으로 꺼내 숯가루를 섞어 물에 적신 것을 끼얹어 불을 끈다.

1200도 내외의 온도까지 올라가서 나무 안에 들어 있던 일산화탄소나 기타 불완전 연소물들이 완전히 태워지게 되며, 톱으로 잘라도 잘라지지 않을 정도로 단단하고 서로 부딪칠 때 금속성 소리를 낸다. 백탄의 내부에는 기공이 많으며, 단면을 보면 구멍이 없는 것으로 보이지만 현미경으로 관찰하면 파이프 집합체와 같은 미세한 구멍이 보이는데, 실질적으로 백탄 1그램은 구멍의 표면적이 아파트 약 30평 면적만하다.





2. 물의 전기 분해
◆ 물의 전기 분해 식


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◆ 물의 전기 분해 시 전해질로 NaCl을 사용하는 것이 적당하지 않은 이유

물의 전기분해에서는 양극에서 산소, 음극에서 수소가 발생하며, 그러나 수용액에 염화나트륨이 존재할 경우 다음과 같이 반응이 진행된다. 즉, 양극에서 산소 대신 염화이온이 반응하여 염소 기체가 생성되고, 이 때 발생하는 염소기체는 유독성이다. 

 



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3. 연료 전지
◆ 연료 전지의 정의

연료 전지란 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 산화/환원 반응을 이용한 점은 같지만 닫힌계에서 전지 반응을 하는 화학 전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고, 생성물은 연속적으로 외부로 제거된다. 가장 전형적인 것으로는 수소-산소 연료 전지가 있다.






◆ 수소 연료 전지

수소-산소 연료전지가 각광받는 이유는 생성물이 물이기 때문에 환경오염이 없으며, 수소가 기체이므로 액화시키면 대량을 저장시킬 수 있고, 에너지 효율이 높기 때문이다. 그러나 상용화되지 못하는 가장 큰 이유는 수소의 안정성 때문이다. 수소 기체는 폭발성이 있기 때문에 저장, 수송에 어려움이 있다. 또한 물을 전기분해하여 수소를 얻는 방법은 전력 소모가 크므로 현재 수소는 원유로부터 생산되는 경우가 대부분이라는 것도 문제이다. 결국 청정에너지라고 하는 수소를 화석연료로부터 얻고 있는 셈이다.

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◆ 수소 연료 전지의 이용

연료전지는 가솔린 등 화석연료를 사용하는 내연기관보다 효율이 30~50%가량 높다. 또 순수한 상태의 물(H2O)만 배출하기 때문에 오염이 없는 청정에너지다. 한때는 값이 너무 비싸 우주선 등 특수한 용도에만 사용됐지만 연료전지 기술이 발전하면서 관련 제품들이 등장하고 있다. 우리나라에는 2010년 남양주 호평 지구의 파라곤 단지 내에 가정용 연료 전지 시스템을 설치할 예정이다. 이 시설은 연 이산화탄소 배출을 약 1500㎏ 줄일 수 있는데, 이는 어린 잣나무 5700그루를 심는 것과 같은 효과다. 싱가포르에서는 수소연료전지 자전거(3000$)를 시장에 내놓았으며, 교육용 장난감인 ‘물로 가는 자동차’(145$)도 개발되었다. 캐나다에서는 휴대폰용 연료전지를 개발하였다. 기존 휴대폰과 같은 크기인 ‘모토로라 SLVR L7’은 ‘마이크로 연료전지’ 기술을 이용, 리튬이온 배터리보다 두 배 정도 높은 효율성을 보여주고 있으며, 충전시간도 10분밖에 걸리지 않는다. 또한 휴대용 연료전지 충전기, 연료 전지 청소기 등이 개발되고 있다. 그러나 무엇보다 가장 관심이 가는 분야는 자동차 업종이다. 


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연료전지 차량의 선두주자는 일본의 혼다 자동차로서, 혼다는 한 번 충전으로 385마일 주행이 가능한 수소연료전지차 FCX클래러티의 양산에 들어갔다. 이 외에 현대, 기아를 비롯해 BMW·다임러·폴크스바겐·GM·도요타·혼다·닛산도 연료전지 자동차 개발을 서두르고 있는데, 실제 2004년 여름 미국에서 연료 전지 자동차의 미 대륙 횡단 행사인 ‘수소 연료 전지 자동차 로드 투어’가 열리기도 했다. 그러나 수소 연료 전지 자동차는 충전을 위한 기반시설 설치 비용이 많이 들어 2012년은 돼야 본격적으로 도입이 될 것으로 보인다.





[ 참고 ]
1. 화학Ⅰ Ⅱ. 화학과 인간 (2) 대체에너지의 개발과 이용 ❶ 수소 에너지, ❷ 연료 전지

[ 출처 ]
1. 화학교육 재미있는 화학 실험 p97-102
2. 생활 속 파고든 '연료전지 제품'···효율 좋고 오염없는 '청정 에너지'

|실험| 태릉고등학교 지재화 선생님



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