경북대학교 무기재료공학과 유전체재료연구실 정 완 우 세라믹 연료전지의 개발 현황 경북대학교 무기재료공학과 유전체재료연구실 정 완 우

Dielectric Materials Laboratory 발표순서 KNU 연구개발 배경 세라믹 연료전지 세라믹 연료전지의 구성과 응용 국내 SOFC 개발 현황 Dielectric Materials Laboratory

연구개발 배경

Dielectric Materials Laboratory 공상과학 영화 속에서의 연료전지 KNU Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 지구환경 : 산성비 KNU The effect of acid rain 60 years ago now Environmental Issue Air Pollution Smog 화석연료의 연소 CmHn + nO2 unreacted HC NOx SO2 Acid Rain CO2 Green House effect + Light + H2O < evil source : fossil fuel > Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 온실가스와 지구 온난화 KNU Environmental Issue Global warming Dielectric Materials Laboratory

KNU 화석연료의 고갈 Exhaustion of oil, natural gas and coal Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 환경보존을 위한 국제적 활동 KNU 환경협약 온실가스 감축 목표 설정 국가별 목표 부여 국제 배출권 거래제도 경제협약 기준미달 기기에 대한 금수조치 벌칙금 수준의 관세부여 탄소세 도입 Dielectric Materials Laboratory

세라믹 연료전지

수소에너지 : 가시권에 있는 인류 에너지 문제의 유일한 대안 미래의 에너지 전략 KNU 21세기 에너지 경제구조 수소에너지 화석에너지 경제구조 가채량 제한 지구온난화/공해 NIMBY 현상 에너지 수요의 고급화 무한 에너지 청정 에너지 맞춤 에너지 수소에너지 : 가시권에 있는 인류 에너지 문제의 유일한 대안 연료전지 : 수소에너지 활용기술의 핵심기술 Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 연료전지 KNU Chemical Energy → Electrical Energy Fuel Air H2O Heat Electricity Fuel Cell Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 기존 발전 방식과의 비교 KNU 핵분열 연료 수증기 전기 열 발전기 연소 수소 연료개질 연료전지 연료 전기 산소 SOFC Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 전력수송 방식의 비교 KNU 발전소 송전 터빈 에너지 효율 30% 에너지 효율 60% 이상 가스, 오일 연료전지 Emission 90% 감소 가스, 오일 Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 발전 효율 비교 KNU Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 연료전지의 기본구조 KNU 전해질의 역할 이온의 이동통로 전자 이동 차단 연료와 산소 분리 O2 + 4e- + 4H+  2H2O Electrolyte 2H2  4H+ + 4e- H2 O2 O2 + 2CO2 + 4e-  2CO32- 2H2+2CO32-  2H2O+2CO2+4e- CO2 H+ CO32- O2 + 4e-  2O2- 2H2+2O2-  2H2O+4e- O2- 고분자전해질 연료전지 (80 oC) 용융탄산염 연료전지 (650 oC) e 연료극 전해질 공기극 고체산화물 연료전지 (1000 oC) Dielectric Materials Laboratory

Lithium or potassium carbonate(액체) Dielectric Materials Laboratory 연료전지의 종류별 특성 KNU 연료 전지 형태 전해질 촉 매 운전 온도 인산형 (PAFC) 인산 (액체) Platinum on carbon 200℃ 알칼리형 (AFC) 수산화칼륨 (액체) 80℃ 고분자전해질형(PEMFC) 나피온 Dow 폴리머 85-100℃ 용융탄산염형 (MCFC) Lithium or potassium carbonate(액체) 니켈 or 니켈화합물 650℃ 고체산화물형 (SOFC) YSZ (고체) 니켈/Zirconia cermet 1000℃ 직접메탄올 (DMFC) Polymer Membrane Pt-Ru or Pt/C 25-130℃ Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 연료전지의 종류별 특성 KNU 종 류 발전온도 전해질 주연료 기술수준 적용대상 고분자전해질형 (PEMFC, DMFC) 상온-100℃ 이온(H+)전도성 고분자 막 수소 메탄올 개발 및 실증 단계 소형전원 자동차 인산형 (PAFC) 150-200℃ 인산(H3PO4) 천연가스 메탄올 상용화단계 분산전원 용융탄산염 (MCFC) 600-700℃ 용융탄산염 (Li2CO3-K2CO3) 석탄가스 개발단계 복합발전 열병합발전 고체산화물 (SOFC) 700-1000℃ 고체산화물 (YSZ) 알칼리형 (AFC) 수소 사용중 특수목적 Dielectric Materials Laboratory

작동온도가 낮아 촉매나 연료의 선택에 제한이 많다 액상 전해질이나 용융상태의 전해질을 사용하기에 연료전지의 종류별 특성 KNU AFC PEMFC PAFC MCFC SOFC 구 분 60 ~ 90 oC 50 ~ 80 oC 160 ~ 220 oC 620 ~ 660 oC 800 ~ 1000 oC 작동온도 CO2 분리장치 필요 주변장치 필요 없음 IGCC 복합장치화 가능 복합장치화 50 ~ 60 % 55 % 60 ~ 65 % ( 90%까지 가능) 작동효율 작동온도가 낮아 고가의 촉매 필요 활성이 높아 저가의 촉매가능 비 용 작동온도가 낮아 촉매나 연료의 선택에 제한이 많다 반응속도가 빨라 촉매나 연료선택의 폭이 넓다 선택성 액상 전해질이나 용융상태의 전해질을 사용하기에 주변성분과의 반응, 부식 등의 문제가 많다 고상전해질 사용으로 전지특성이 안정적 안정성 외부 연료개질장치 필요 (reformer, converter) 활성이 매우 높아 촉매 불필요 Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 세라믹 연료전지 (SOFC) KNU Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 세라믹 연료전지의 장단점 KNU 구분 PEMFC SOFC 장 점 양산 가능 기술 수준 (연료전지 및 주변기술 성숙) 연료전지 출력밀도 최고 수준 시동성 및 응답성 우수 저가의 재료비(금속산화물) 에너지 효율 최고 (양질 폐열 활용) 기존 연료 인프라 활용 용이 단 점 연료 순도 제한(고순도 수소) 고가의 재료비 (백금 촉매, 폴리머 멤브레인 등) 현 기술의 문제점(개발 필요 기술) 잦은 On/Off 시 짧은 수명 시동 시간 개선 연료전지 주변기술 수준 미성숙 연료전지 중저온 운전 (650℃: 기존 재료 사용가능) 용 도 주로 승용차 구동 동력원 차량 보조전원(APU), 분산발전 Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 각종 발전방식의 효율 KNU (%) 80 60 SOFC MCFC DMFC PAFC PEMFC Eff. 40 Diesel Engine Gas Turbine Gasoline Engine U-G/T 20 Solar Cell 1 10 100 1,000 10,000 100,000 Power kW Dielectric Materials Laboratory

세라믹 연료전지의 구성과 응용

Dielectric Materials Laboratory SOFC 단전지의 구성요소 KNU Tubular type Planar type Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory SOFC 단전지의 형태 KNU Fuel Air e- Planar Type Disk Type Honeycomb Type Tubular Type HPD Type Segmented Type Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 단전지 형태별 스택 구성 KNU 원통형 SOFC 평판형 SOFC 단전지 단 점 장 점 스 택 1L/3kg/kW 고출력 밀도(~1.0W/cm2) 원통형 보다 간단한 디자인 시스템 단가가 낮음 셀/스택 생산성 우수(반복적층) 시스템 규모별 부품 공용 가능 스택 기밀 부담 적음 스택 기밀 어려움 낮은 출력밀도(<0.2W/cm2) 시스템 단가가 높음 단전지 대량 생산 어려움 단전지 연결 기술 미성숙 Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory SOFC 스택 구성 부품 KNU 스택 구성 부품 접속자 단전지 밀봉재 스택 체결 구조 Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory SOFC 시스템 KNU 코어모듈 중소형 시스템 대형시스템 스택 Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory SOFC 시스템의 구성 KNU BOP Stack Power El. Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 가정용의 SOFC KNU 전기 난방 온수 PEMFC 가 시장을 선점하고 있으나 에너지 효율이나 경제성 면에서 강점을 가지고 있는 SOFC가 시장을 대체할것으로 예상 (Sulzer-Hexis, 2002) 열병합 발전시 가장 고효율 (에너지효율 90%이상) 전기, 온수, 난방 동시 공급가능 수요용량에 따른 범용성 연료선택의 자유도가 큼 Dielectric Materials Laboratory

2010년 : 내연기관(가솔린,디젤) 60%, 내연기관(가스) 20%, FCEV 20% 수송용 연료전지 및 시장 전망 KNU Hybrid Zero Emission Vehicle 2000 2010 2020 2010년 : 내연기관(가솔린,디젤) 60%, 내연기관(가스) 20%, FCEV 20% 2020년 : 내연기관(가솔린,디젤) 15%, 내연기관(가스) 15%, FCEV 70% Dielectric Materials Laboratory

PEMFC and SOFC for Electric Vehicle KNU ELECTROLYTE Proton-exchange membrane Solid-oxide ceramic 연료 SOFC OPERATING TEMPERATURE 80 oC 800 ~ 1000 oC CHARGE CARRIER Hydrogen ion Oxygen ion 연료개질 PEM FUEL Pure H2 H2, C containing gases REFORMER External ( mandatory ) Not necessary 수소 PRIME CELL COMPONENTS Polymer(Nafion) All ceramic WATER MANAGEMENT Humidifier Waste water treat Not necessary CATALYST Platinum Not necessary 산소 연료전지 EFFICIENCY (percent) 40 to 50 Greater than 60 STATUS OF DEVELOPMENT Demonstration systems up to 50 kilowatts ; expected in next few years Next generation FC units for electric vehicles 전기 * Scientific American, July 1999 Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 군사용 연료전지 KNU Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory 수소연료전지로 꿈꾸는 미래 KNU Dielectric Materials Laboratory

국내 SOFC 개발현황

SOFC 핵심원천기술 개발사업 KNU KIER(6) MJU(5) KIST(1) RIST(2) YSU(4) SNU(5) Tubular type Unit cell Composite Sealant High-performance Unit cell Metal interconnect IT/LT Electrode IT/LT Electrolytes Development of Core Technology for LT/IT SOFC Stack Components Round Robin Test (HMC,POSCO,KIST) 2 Industries : HMC, POSCO 3 National Research Institutes : KIST, KIER, KICET 1 Industrial Research Institute : RIST 16 Universities : SNU, YSU, MJU, KAIST, POSTEC … Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory KIST SOFC 스택 (350W, 12셀, 10x10 cm2) KNU 300W Stack 10×10 cm2 5×5 cm2 Ø2 cm 150W Stack 15W Stack 700W Stack Extensive experience  Cell size enlargement & performance enhancement Performance Enhancement Dielectric Materials Laboratory

Dielectric Materials Laboratory SOFC 연구개발 KNU Anode YSZ Cathode NiO YSZ H2 O2- e- Anode support (YSZ-Ni) Electrolyte (YSZ) Cathode (LSM) Dielectric Materials Laboratory