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연료전지란? 연료의 산화(酸化)에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환 시키는 전지

개요

연료전지란?
  • 연료의 산화(酸化)에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지
  • 일종의 발전장치(發電裝置)라고 할 수 있으며 산화 ·환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만,
    닫힌 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어,
    반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거됨. 가장 전형적인 것에 수소-산소 연료전지가 있음
  • 수소 외에 메탄과 천연가스 등의 화석연료(化石燃料)를 사용하는 기체연료와, 메탄올(메틸알코올) 및 히드라진과 같은
    액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지의 연료전지가 나왔으며 이 중에서, 작동온도가 300 ℃ 정도 이하의 것을 저온형,
    그 이상의 것을 고온형이라고 함. 또, 발전효율의 향상을 꾀한 것이나, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의
    용융탄산염(溶融炭酸鹽) 연료전지를 제2세대, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지를 제3세대의
    연료전지라고 함
연료전지 발전원리 (예 : 수소-산소 연료전지)
연료중 수소와 공기중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전

연료전지의 반응과정 (예)

특징 및 시스템 구성도
특징
  • 발전효율이 40∼60 % 이며, 열병합발전시 80% 이상 가능
  • 천연가스, 메탄올, 석탄가스 등 다양한 연료사용 가능
  • 환경공해 감소 : 배기가스중 NOx, SOx 및 분진이 거의 없으며, CO2 발생량에 있어서도 미분탄 화력발전에 비하여
    20∼40% 감소
  • 회전부위가 없어 소음이 없으며, 기존 화력발전과 같은 다량의 냉각수 불필요
  • 도심부근 설치가능하여 송배전시의 설비 및 전력 손실 적음
  • 부하변동에 따라 신속히 반응하며, 설치형태에 따라서 현지 설치용, 분산 배치형, 중앙집중형 등의 다양한 용도
    사용 가능
연료전지 발전시스템 구성도

연료전지 발전시스템 구성도

  • : 연료인 천연가스, 메탄올, 석탄,석유등을 수소가 많은 연료변환시키는 장치
  • :
    • 연료전지 단위전지(Cell)는 기본적으로 전해질이 함유된 전해질 판, 연료극(anode), 공기극(cathode), 이들을
      분리 하는 분리판 등으로 구성
    • 이 단위전지(Cell)에서 전류를 인출하는 경우 통상 0.6∼0.8V의 낮은 전압이 생성
  • : 원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체
  • : 연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치
연료전지의 종류 및 특징
  • 전해질 종류와 동작온도에 의한 분류
  • 태양광의 특징 및 시스템 구성도
    알카리형(AFC) 인산형(PAFC) 용융탄산염형
    (MCFC)
    고체산화물형
    (SOFC)
    고분자전해질형
    (PEMFC)
    전해질 수산화칼륨(KOH) 인산(H3PO4) 탄산염(Li2CO3 + K2CO3) 질코니아(ZrO2+Y2O3) 이온교환막 (Nafion)
    동작온도(℃) 50∼150 150∼220 600∼700 약 1000 상온∼100
    효율(%) 60 36~45 45~60 50~60 40~50
    시기 수소에너지 이용 시대 '90년대후반 2010년대 초반 2010년대 초반 2000년대 초반
    용도 군사용,위성용 전력용, 자가 발전용 중.대용량 전력용 소·중 .대용량 발전 정지용,이동용
  • 주)AFC
    Alkaline Fuel Cell, PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell, MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell,
    SOFC : Solid Oxide Fuel Cell, PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Cell
  • 주) 전해질(電解質:electrolyte)
  • 물 등의 극성용매에서 이온화되어 전기전도를 하는 물질
  • 용액 속에서 양이온과 음이온으로 무질서하게 해리(解離)되며 이와 같은 용액 속에 전극을 넣고 전압을 가하면
    양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 끌려서 이동하여, 결과적으로는 용액을 통해서 전류가 생김. 이온으로 해리
    하는 전리도가 높은 것일수록 전기전도성이 좋은데 이것을 강한전해질이라 하고, 반대의 것을 약한 전해질이라함
    (강한전해질 : 알칼리금속의 할로겐화물, 산소산염 등 강한산과 강한염기에 의해서 생기는 염이나 강한산· 강한염
    기 그 자체 등. 약한전해질: 아세트산암모늄 등은 전리도가 낮고 약한산·약한염기에 의해서 생기는 것)
연료전지 발전추이
알칼리형(AFC:Alkaline Fuel Cell)
  • 1960년대 군사용(우주선 : 아폴로 11호)으로 개발
  • 순 수소 및 순 산소를 사용
인산형(PAFC:Phosphoric Acid Fuel Cell)
  • 1970년대 민간차원에서 처음으로 기술개발된 1세대 연료전지로 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 이용
  • 현재 가장 앞선 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있음
용융탄산염형(MCFC:Molten Carbonate Fuel Cell)
  • 1980년대에 기술개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지,대형건물의 분산형 전원으로 이용
  • 미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중
고체산화물형(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)
  • 1980년대에 본격적으로 기술개발된 3세대로 MCFC보다 효율이 우수한 연료전지로 대형발전소, 아파트단지, 대형
    건물의 분산형 전원으로 이용
  • 최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나 우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이
    가장 낮음
고분자전해질형(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane)
  • 1990년대에 기술개발된 4세대로 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용
  • 가장 활발하게 연구되는 분야이며, 실용화 및 상용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있음
국내외 기술현황 비교
국내외 기술현황 비교
구분 인산형 융융탄산염형 고체산화물형 고분자전해질형
용 도 건물, 병원 대형건물, 발전소 대형건물, 발전소 자동차, 이동용, 가정용
용량 100kW∼MW 이하 MW이상 MW이상 100W∼100kW 이하
건설단가
(현재/목표)
3,000$/kW
(1,500$)
4,000$/kW
(1,200$)
5,000$/kW
(1,500$)
4,000$/kW
(1,500$)
기술개발 미국 200kW급 제품판매 280kW급 스택개발 2MW급 플랜트 실증 25kW급 스택개발 250kW급 실증 7.5kW급 가정용으로 실증
한국 50kW급
시스템개발중
100kW급시스템개발중 100W급 실패 5kW급 시스템개발중
실용화시기
(미국/한국)
1999(2006) 2005(2008) - 2004(2006)
향후 기술개발
추진 계획
- 2006년까지 250kW급 시스템 개발 - 2006년이후 3kW급 국산화 하여 보급
  • 그림 : 5kW급 고분자 연료전지 시스템 개발
  • 5kW급 고분자 연료전지 시스템 개발
  • 그림 : 5kW급 고분자 연료전지 시스템 개발
  • 5kW급 고분자 연료전지 시스템 개발
  • 구성요소별 기술개발 내용
  • 구성요소별 기술개발 내용
    대분류 중분류 소분류 기술개발내용
    대분류 중분류 소분류 기술개발내용
    본체제작기술 (STACK) H2와 O2로
    전기 화학 반응을 일으키는 장치
    (전기,열 생산) 요소기술 재료기술
    요소기술 재료기술
    • 촉매성능향상
    • 재료특성 향상
    제조기술
    • 전극(ANODE, CATHOD)
    • 분리판
    • 매트릭스
    적층기술 설계기술
    • 단위전지
    • 스택설치
    • 냉각 및 유체 이동
    구성기술
    • 단위전지 적층
    • 택구성 및 최적화
    • 스택밀봉
    - 주변기술 및 운영
    - 연료를 개질하여 수소로 만드는 장치
    - 생산된 직류전기를 교류로 전환 장치
    - 연료전지시스템 설치/운전 기술
    주변기술 연료개질기
    (REFORMER)
    • 개질촉매 및 반응조건 최적화 연구
    • Reactor 개발 및 운전
    전력변환
    (INVERTER)
    • 직류/교류 변환기(Inverter)
    • 부하 및 시스템 제어기술
    시스템종합 및
    운영기술
    시스템종합
    • 시스템 설계
    • 시스템 최적화 및 구성설치
    운영기술
    • 발전플랜트 설치
    • 운전특성