발전용 연료전지 PCS 경북대학교 산업대학원 전기공학과 이병준

목 차 1. 연료전지 특징 2. 연료전지 종류 3. 연료전지 시스템 구성 및 PCS 4. 시장전망 및 개발동향

연료전지 발전원리 직접발전방식(화학에너지 → 전기에너지) 연료 : 천연가스 등으로부터 생산된 수소와 공기 중 산소 이용

연료전지 발전원리

연료전지 발전원리 연료전지 발전시스템 기본구성

개질기 수증기첨가 개질방법(Steam Reforming) ► 천연가스 또는 메탄올 등 연료에 수증기를 가하여 수소,일산화탄소,이산화탄소를 얻는 방법 석탄가스화 장치(Coal Gasifier) ► 석탄을 가스화하여 수소와 일산화탄소를 발생시키는 방법 ► 석탄가스 내 불순물 제거를 위한 석탄가스정제시스템 필요

개질기

연료전지 특징 고효율 발전시스템 : 전기효율 40 - 60% 배열회수를 통한 열병합발전 또는 온수,난방 친환경 발전시스템 : NOx(질소산화물), CO₂, SOx(황산화물), 소음 등 극소 발생 천연가스, 바이오가스, 매립지가스, 석탄가스 등 다양한 연료사용 맞춤형 분산발전시스템 구성 및 백업전원기능 수행 가능

연료전지 특징 높은 가동률 : 95%(원자력발전 수준) 태양광, 풍력 등의 간헐발전 대비 상시 발전으로 이용률(전기를 생산하는 시간)이 높다. 태양광, 풍력 대비 설치면적이 작다. 용량구성이 자유롭고 지하, 복층 등 설치가 용이 대규모 발전소, 공장, 아파트단지, 하수처리장, 병원, 호텔, 쓰레기매립장 등 다양한 장소에 설치 가능

연료전지 특징(효율)

연료전지 전압강하(손실) 연료전지의 이론적 최대전압 : 1.229V (OCV : Open Circuit Voltage) ► 실제 연료전지 스택의 출력전압은 전압손실로 인해 OCV 보다 항상 작다. 이 손실을 분극(Polarization) 이라고 한다. 활성화 분극(Activation Polarization) ► 전극표면에서 전하를 이송하여 화학반응을 일으키도록 하는데 전압의 일정부분이 사용되어 발생하는 손실

연료전지 전압강하(손실) 저항분극(Ohmic Polarization) ► 이온의 이동에 대한 전해질 내의 저항, 전극을 지나는 전자의 흐름에 대한 저항, 분리판/집적판과 전극사이의 접촉저항 때문에 발생 농도분극(Concentration) ► 산소극과 연료극의 반응속도차이에 의한 농도차이, 반응물과 생성물의 확산속도차이 등에 의해 발생 이외에 두 전극 사이에서 이온만 통과하여야 할 전해질을 통해 극미량의 연료가 통과되어 전기생산에 기여하지 못하여 발생하는 연료손실 등이 있다

연료전지 전압강하(손실)

연료전지 종류 인산형 연료전지(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell) 용융탄산염 연료전지(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell) 고체산화물 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) 고체고분자전해질 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 직접 메탄올 연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell) 알칼리 연료전지(AFC : Alkaline Fuel Cell)

연료전지 종류 인산형 연료전지(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell) ► 액체 인산염을 전해질로 이용 ► 전해질은 Silicone carbide matrix에 접착된 Teflon에 저장된다 ► 전극은 백금 촉매에 기공성의 탄소 전극 사용 ► 작동 온도는 약 200℃로 저온형 ► 액체 전해질을 사용하므로 장시간 동작 후 전해질 보충 ► 외부개질방식으로 MCFC(용융탄산염 연료전지)나 SOFC(고체산화물 연료전지)에 비해 시스템이 복잡하고 효율도 낮다 ► 미국 ONSI(IFC사와 일본 도시바 합작)사의 250Kw 시스템이 전세계에 약 300기 보급, 운용

연료전지 종류 용융탄산염 연료전지(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell) ► 1960년대 석탄을 직접 이용하여 작동하는 연료전지 개발에서부터 비롯 ► 연료로 천연가스, 석탄가스 사용 가능하며 고효율 발전이 가능하여 화력발전 대체용으로 기대 ► 혼합용융탄산염을 전해질로 사용, 보통 리튬탄산염과 칼륨탄산염으로 구성 ► 약 650 ℃의 작동온도에서 전해질은 액체상태이며 좋은 이온전도체이다 ► 값싼 니켈을 전극으로 사용할 수 있다

연료전지 종류 ► 내부개질 방식으로 시스템이 간단하고 효율이 높다 ► PAFC보다 연료효율이 높고 크기가 작고 가격도 저렴 ► 고온에서 작동하므로 고온액상의 용융염에 의한 소재의 퇴화 현상이 문제점 ► 미국FCE(Fuel Cell Energy) : 내부개질형 250Kw급 35기 보급, 운용 ► 일본 : 외부개질형 750Kw급 시스템 설치 진행 중 ► 독일 MTU(MTU CFC Solution) : 280Kw 규모의 열병합 발전시스템을 제작하여 12곳에서 실증시험 중

연료전지 종류 고체산화물 연료전지(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) ► 원통형, 평판형, 일체형이 있으나 일체형은 제조공정이 매우 어려워 주로 원통형, 평판형 개발 ► 원통형은 구조적으로 전력밀도가 낮으나 평판형에 비해 제조가 용이 ► 평판형 구조는 제조가 어려우나 전력밀도가 높음 ► 약 1,000 ℃의 고온에서 작동, 내부개질 가능, 버려지는 열은 일반적인 열발전에 쉽게 이용 가능하여 높은 연료 효율을 얻을 수 있다. ► 고온의 작동온도로 시동(Start-up time)하는데 많은 시간이 요구됨

연료전지 종류 ► 액체전해질 대신 고체산화물인 지르코니아세라믹 이용, 따라서 부식에 관한 문제와 액체전해질에서 야기되는 취급문제 감소 ► 열저장에 상당한 기밀성이 요구됨 ► 기술성숙도가 낮은 상태 ► 고온에서 작동되므로 재료간의 반응문제 및 신소재 개발 등이 주요과제 ► 미국 SW(Siemens-W.H)사 : 원통형 220Kw급 운전시험 ► 일본 : NEDO 주관으로 평판형 스택 개발, 100Kw급 개발 진행 중

연료전지 종류 고체고분자전해질 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) ► 전해질로 고분자막을 이용, 나피온(Nafion)이 주로 사용됨 ※ 고분자막 : 전기적으로 절연체이나 수소이온에 대해서는 좋은 전도체로 수소이온을 잘 통과시키는 성질이 있음. 따라서 공급된 수소에서 분리된 전자와 수소이온중 수소이온만 통과 시켜 전력을 얻음 ► 고체 전해질을 사용하므로 다루기 쉽고 안전 ► 작동온도가 약 80 ℃로 가장 낮고 Power Density가 높 다. ► Power 요구 정도에 따라 출력을 기민하게 변경할 수 있어 전기자동차용으로 각광

연료전지 종류 ► 소형, 경량, 저온 동작에 따른 저 코스트화 가능 ► 두 전극 사이에 전해질이 샌드위치처럼 들어가 있는 형태이며 두 전극과 전해질의 세가지 성분이 열과 압력에 의해 압착되어 하나의 MEA(Membrane Electrode Assembly)를 만듦 ► 두 전극의 한쪽면은 얇은 백금(Platinum)이 입혀져 있어 촉매층 형성 ► 백금 촉매층의 사용으로 비용 측면에서 불리 ► 캐나다 Ballard사에서 250Kw급을 스위스 EBM사 등에 설치하여 운전시험

연료전지 종류 알칼리 연료전지(AFC : Alkaline Fuel Cell)) ► 우주선 등 특수용도에 사용 직접 메탄올 연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell) ► 휴대전원용으로 사용

연료전지 종류

연료전지 시스템 구성 Stack(Fuel cell power section) 산소를 공급받아 전기화학반응을 일으켜 전기와 열을 생산 MBOP(Mechanical Balance of Plant) ► 스택부에 수소와 산소를 공급해주고 전기화학반응에서 생긴 열을 회수하여 활용하는 부분 EBOP(Electrical Balance of Plant) ► PCS(Power Conditioning System) ► 연료전지의 출력을 계통에 연계시키는 부분

연료전지 시스템 구성

연료전지 시스템 구성

연료전지 시스템 구성

연료전지 시스템 구성 단위전지(Unit Cell) ► 전극(Anode, Cathode) + 전해질 + 분리판 공기극 단위전지를 직렬 연결하여 스택(Stack) 구성 스택 (Stack)을 연결하여 대규모 플랜트를 제작

연료전지 시스템 구성

연료전지 PCS 발전용 연료전지 PCS 구성 ► DC-DC컨버터 : 저전압 출력을 승압하고 운전점 변화에 따른 직류전압변동을 일정 직류전압으로 변환해 주는 변환기 ※ 출력전류의 밀도에 따라 전압이 변하는 비선형적 특성을 가지고 있어 이를 안정된 전원으로 유지하기 위해 필요 ► DC-AC인버터 : 적정 크기로 승압된 직류를 기존 전력 계통의 공칭전압 크기와 주파수, 적정 전력품질을 갖는 교류 형태로 변환해 주는 변환기 ► 필터 : 인버터와 계통 사이에서 전류주입에 대한 매개 역할

연료전지 PCS 단위 연료전지 스택 구성방법 ► 연료전지 스택을 직접 연결하는 방식 : 단점이 많아 ► 직렬연결방식 실제 적용이 어려움 ► 직렬연결방식 - PCS의 입력 전압이 높아 효율을 높일 수 있다 - DC-DC컨버터 또는 60Hz 승압용 변압기의 생략이 가능해 부피 측면에서 유리 - 상측이 고전압이므로 안전에 문제가 있을 수 있고 주변 장치의 접지문제 발생 - 한대의 스택 고장시 전체 시스템이 정지되어 신뢰성 저하

연료전지 PCS ► 병렬연결방식 - 고전압에 의한 안전문제 및 주변장치의 접지문제는 다이오드가 반드시 필요해 효율이 낮아짐 - 각 연료전지 스택의 전류를 제어할 수 없어 스택간의 전류불균형 문제 발생 ► 따라서 연료전지 스택을 각각 한대 또는 두대를 단위 스택으로 하여 PCS와 연결하는 방식 적용

연료전지 PCS

연료전지 PCS(승압방식) 교류승압 ► 구조가 간단 ► 비교적 높은 효율 ► 연료전지 전압의 범위가 큰 경우 출력전압 조정의 품질이 저하될 수 있음 ► 전류 정격이 높아 인버터 및 필터의 부피가 커짐 ► 센터탭으로 전압을 높일 수 있는 경우 유리

연료전지 PCS(승압방식) 직류승압 ► DC-DC컨버터 사용에 따른 소자수, 손실 및 부피증가 ► MW급으로 확장시 각 300Kw급의 연료전지에 DC-DC 컨버터를 추가하는 방식으로 확장이 용이 ► 예기치 못한 역전류에 의한 연료전지 손상을 DC-DC 컨버터가 구조적으로 막아줌 ► DC-DC컨버터의 병렬상수에 따라 효율 및 부하에 영향을 미치므로 이를 적절히 선정하는 것이 중요 ► 단위 스택을 단일 스택으로 하는 경우 유리

연료전지 PCS(승압방식)

연료전지 PCS(절연방식) 저주파 절연형 PCS ► 교류측 절연방식 ► 통상 Boost 컨버터 방식을 채택하여 승압하고 인버터 후단의 상용주파수 변압기를 통해 절연하는 방식 ► 입력전압의 승압 비율이 다소 제한적으로 비교적 낮 은 출력의 직류 전압을 교류로 변환함에 따라 인버터에서의 손실이 상대적으로 증가

연료전지 PCS(절연방식) 고주파 절연형 PCS ► 직류측 절연방식 ► DC-DC컨버터의 고주파변압기를 통한 절연방식으로 Push-pull type과 Full-bridge type 등이 있음 ► 설계에 따라 출력단의 직병렬 구성이 가능하여 고압 직류출력전압을 구현할 수 있어 대용량 구현이 용이 ► 수동소자에서 발생하는 손실이 적어 저주파 절연방식에 비해 효율이 2-3% 높다 ► 가격상승 및 고효율 구현이 상대적으로 어려움

연료전지 PCS(절연방식)

연료전지 PCS(절연방식)

시장전망 및 개발동향 발전용 연료전지 이용 형태 ► 전력수요 증가, 환경문제 등의 전력공급 제약요인 및 수요처의 에너지 사용 패턴 등에 따라 화력발전대체용, 분산형전원, 가정용전원 등으로 대별 ► 화력발전 대체용 연료전지(Centralized Power Plant) - 고온의 스팀을 이용한 복합발전시 효율 65%까지 얻을수 있음 - 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지 (SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)

시장전망 및 개발동향 ► 분산연료전지(Distributed Fuel Cell Power Plant) - 일정지역(아파트단지, 고층빌딩 등) 수요지 근처에 수백-수천 Kw 정도의 연료전지를 설치하여 열과 전기를 동시에 공급 - 발전설비 소형화 - 건설기간 축소 - 급격한 전력수요에 빨리 대응 - 송배전설비 간단화로 비용 절감 - 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC)

시장전망 및 개발동향 ► 가정용 연료전지 발전설비(Residential Fuel Cell) - 통상 수-수십 Kw급으로 열과 전기를 동시에 소비하는 호텔, 병원, 음식점 등에 적용 가능 - 고체고분자전해질 연료전지(PEMFC)

시장전망 및 개발동향

시장전망 및 개발동향 건물용 연료전지 설치 증가 추세

시장전망 및 개발동향

시장전망 및 개발동향

시장전망 및 개발동향 국제 현황 ► 미국(FCE) : MCFC 300Kw급 상업화 ► 독일(MTU) : 500Kw급 추진 중 ► 이탈리아(Ansaldo Fuel Cell) : 250Kw 두대를 결합한 500kW급 추진 중 ► 일본(IHI) : 300Kw급 열병합시스템 추진 중

시장전망 및 개발동향

시장전망 및 개발동향 국내 현황 ► 1985년 한전전력연구원에서 소규모 인산형연료전지 발전시스템 운전 성공 ► 두산중공업 : 300Kw급, 플랜트 연계형 1.2Mw급 MCFC 시스템의 스택, 구성요소, BOP를 정부지원으로 자체개발 중 ► 효성중공업 : 2004년도 100Kw급, 2007년도에 250Kw급 개발 ► 포스콘 : 2008년도에 600Kw급, 2009년도에 1.5Mw 및 3Mw급 개발

시장전망 및 개발동향

시장전망 및 개발동향

시장전망 및 개발동향

시장전망 및 개발동향 우리나라의 기술수준 ► MCFC 발전시스템의 스택 구성요소 기술수준은 선진국 대비 80% ► 연료전지 플랜트 전체를 포괄하는 시스템 분야는 선진 국 대비 70% ► 따라서 시스템 설계부분, EBOP(PCS), MBOP 개발에 집중 필요

참고문헌

감사합니다