열기관(Heat Engine)은 열에너지를 역학적 에너지(기계적 에너지)로 변환할 수 있는 원동기를 뜻합니다. 자동차 엔진, 증기기관 등이 이에 해당되는데요. 열기관은 전지의 개념인 배터리와 수소연료전지(fuel cell)와는 다른 형태의 에너지 변환 장치랍니다. 배터리와 수소연료전지의 차이점에 대해서는 아래의 포스팅을 참고하시면 되겠습니다.
수소연료전지와 배터리의 차이점을 비교해보자
배터리(battery)는 1차 전지와 2차 전지가 있고, 연료전지(fuel cell)는 3차 전지라 불리지요. 1차 전지는 충전이 불가능한 배터리를 의미하며 2차 전지는 충전하여 재사용할 수 있는 배터리를 뜻하는
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열기관과 수소연료전지의 공통점은?
열기관과 수소연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지 변환 장치라는 점이 동일합니다. 그리고 연료전지는 수소(Hydrogen)를, 열기관은 종류에 따라 자동차 엔진은 휘발유나 경유, 증기기관은 물이 연료로 주입되어야 한다는 점이 비슷하죠.
열기관과 수소연료전지의 차이점은?
∇ 열기관과 수소연료전지는 둘 다 에너지 변환 장치이기는 하지만, '직접'이냐 '간접'이냐의 차이가 있습니다. 연료전지는 수소가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환합니다. 수소의 산화, 환원 반응을 통해 전자(electron)가 이동하기 때문이지요.
반면, 열기관은 화학에너지에서 전기에너지로 간접 변환합니다. 즉, 중간 단계가 있다는 것이죠. 열기관에서는 연소(combustion) 과정을 통해 화학에너지가 열에너지로 먼저 변환되며, 열에너지는 터빈(turbine) 같은 기계장치에 의해 역학적 에너지로 변환됩니다. 또 역학적 에너지는 발전기에 의해 전기에너지로 최종 변환됩니다. 증기기관을 예로 들어볼까요? 증기기관은 물을 가열하여 뜨거운 증기로 만들고, 그 증기로 회전체를 가진 기계장치를 돌리죠. 그리고 기계장치와 연결되어 있는 발전기를 통해 전기를 생성합니다.
∇ 열기관과 연료전지는 이론적인 효율에 있어서 차이가 있습니다. 열기관은 그 유명한 카르노(Carnot) 기관에 의해서 최대 효율이 제한되어 있습니다. 그리고 높은 효율을 얻기 위해서는 높은 온도가 필요하며 에너지의 형태가 여러 단계로 변환되는 과정에서 손실이 발생합니다. 반면, 연료전지는 전기화학 반응이기 때문에 카르노(Carnot)와는 관계가 없어 열기관만큼의 고온이 필요하지 않습니다.
∇ 열기관은 여러 중간 변환 단계를 거치기 위해 여러 구동 부품들이 필요하고, 이들이 시간이 갈수록 마모됨에 따라 피로 파괴 문제가 발생할 수 있습니다. 반면 연료전지는 마모보다는 부식이 더 이슈가 됩니다.
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