6. 에너지 사용 신기술에는 어떤 것이 있을까? (2) 연료 전지

학습 목표 연료 전지의 기본적인 원리를 설명할 수 있다.

배울 내용 1. 연료 전지 연료 전지의 역사 연료 전지의 구조 연료 전지의 작동 원리

도입 활동 전기를 공급하는 알카라인 전지와 발전소의 차이점은 무엇일까? 전지와 발전기 모두 전기를 공급하여 전기 제품들이 작동할 수 있도록 하는 공통점이 있지만, 전지는 한정된 자원을 모두 소비하면 수명이 끝나는 반면, 발전소에는 지속적인 자원의 공급만 있으면 끊임없이 전기를 생산하는 차이점이 있다.

1. 연료 전지 ① 연료 전지의 역사 1839년 영국의 물리학자 글로브가 연료 전지의 원리를 처음으로 발명하였다. 수소-산소 연료 전지의 역반응 중 하나인 물의 전기 분해(물을 전기 분해하여 수소와 산소로 만드는 반응)는 연료 전지가 발견되기 이전인 1800년에 발견되었다. 1896년에는 최초로 연료전지 실용화 제품이 개발되었다. 이후 1933년 초기 수소와 산소를 사용한 연료 전지 발명되었으나 본격적 연료 전지의 실용화는 1965년 미국의 유인 우주선 제미니 3호와 아폴로 우주선의 전원으로 연료 전지를 선택한 이후부터이다.

1. 연료 전지 ① 연료 전지의 역사

1. 연료 전지 ② 연료 전지의 구조 연료 전지는 연료가 무엇이냐에 따라 여러 가지 종류로 나눌 수 있다. 보통 수소, 탄화수소, 메테인 등을 연료로 사용하며 산화제는 주로 산소를 사용하는데, 수소를 연료로 사용하는 ( )가 대표적이다. 수소-산소 연료 전지는 전해질 막을 사이에 두고 양쪽에 연료인 수소가 공급되는 연료극과 산화제인 산소가 공급되는 공기극이 위치해 있다. 수소-산소 연료 전지

1. 연료 전지 ② 연료 전지의 구조

1. 연료 전지 ③ 수소-산소 연료 전지의 작동 원리 (1) 수소 분자(H2)는 촉매에 의해 수소 이온(H+)으로 나뉜다. (2) (3) (4) 수소 분자(H2)는 촉매에 의해 수소 이온(H+)으로 나뉜다. 이때 각 수소 원자는 한 개의 전자를 내어놓는다. 수소 이온은 전해질(막)을 통해, 전자는 외부 회로를 통해 (+)극 쪽으로 이동한다. 이때 전류가 흐르게 된다. (+)극에서 산소 분자와 전자가 결합하여 산소 이온을 만든 다음 수소 이온 쪽으로 이동한다. 산소 이온과 수소 이온이 반응하여 물을 생성한다.

1. 연료 전지 ③ 수소-산소 연료 전지의 작동 원리

1. 연료 전지 ④ 수소-산소 연료 전지의 산화∙환원 반응 연료 전지에서 산화와 환원 반응은 동시에 일어난다. 다만 전지에서는 전자가 방출되는 ( )과 산화 반응에 의해 방출된 전자를 얻는 ( )이 서로 분리된 전극에서 일어난다. 수소-산소 연료 전지의 각 전극에서 일어나는 화학 반응은 다음과 같다. 산화 반응 환원 반응` (-)극 반응(산화 반응) : (+)극 반응(환원 반응) : H2 → 2H+ + 2e- O2 + 2H+ + 2e- → H2O 2 1

1. 연료 전지 ④ 수소-산소 연료 전지의 산화∙환원 반응 수소-산소 연료 전지의 ( - ) 극과 ( + ) 극에서 일어나는 산화·환원 반응을 합치면 다음과 같이 수소(H2)와 산소(O2)가 결합하여 ( )이 만들어지는 화학 반응이 된다. 물(H20) 전체 반응식 : H2 + O2 → H2O 2 1

1. 연료 전지 ⑤ 수소-산소 연료 전지의 장점과 단점 (1) 장점 연료 전지에서의 반응은 일반적인 연소 반응과 달리 에너지의 대부분이 열의 형태로 전환되지 않고 70~75%가 전기 에너지로 변환된다. 수소와 산소가 직접 접촉하지 않고 (-)극에서 수소 이온과 전자로 분리된 후, (+)극에서 산소와 반응하기 때문에 폭발의 위험성은 없다. 연료 전지는 수소와 산소의 반응으로 많은 에너지를 생산해 낼 수 있으므로 기존의 내연 기관보다 효율적이다. 연료 전지는 유일한 부산물이 물(H2O)이므로 환경 오염을 거의 일으키지 않기 때문에 환경 친화적인 에너지이다. 소규모의 휴대용 전자 기기에서부터 자동차나 대형 발전 장치에 이르기까지 넓은 영역에 적용할 수 있다.

1. 연료 전지 ⑤ 수소-산소 연료 전지의 장점과 단점 (2) 단점 연료인 수소가 휘발유와 같은 기존 연료보다 가격이 비싸다. 이를 사용하기 위한 효율적인 저장 기술, 그리고 안정성의 확보 등 해결해야 할 숙제가 남아 있다.

정리 및 평가 연료 전지에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 효율이 70% 이상으로 매우 높다. <문제 1> 연료 전지에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 효율이 70% 이상으로 매우 높다. ② 부산물이 발생하지 않는다. ③ 오랫동안 사용해도 성능이 떨어지거나 방전되지 않는다. ④ ( - )극에서는 산화 반응, ( + )극에서는 환원 반응이 일어난다. ⑤ 수소를 연료로 산소를 산화제로 사용하는 수소-산소 연료 전지가 대표적이다. ② 부산물이 발생하지 않는다.

1. 수소-산소 연료 전지의 장점과 단점은 무엇인가? 정리 및 평가 1. 수소-산소 연료 전지의 장점과 단점은 무엇인가? 연료 전지는 저공해성이며, 소음이 없고, 배출된 열을 이용할 수 있기 때문에 효율이 높다.

차시 예고 17차시 에너지 사용 신기술에는 어떤 것이 있을까? (3)