15장. 연료전지의 구성과 에너지 효율 1조: 서광원(9702796) 정부영(9702862)

목 차 연료전지 정의 연료전지의 발전원리 연료전지의 종류 연료전지의 전망 및 의견 연습문제

연료전지의 배경 ▷ 기존 화석 연료의 환경 오염물질 배출, 고갈성 등의 한계로 인한 대체 에너지 개발 필요성. ▷ 새로운 에너지 자원으로 수소 에너지에 대한 관심이 높아지고, 전세계적으로 연료전지 기술개발이 활발, 실용화가 급진전 됨. ▷ 수소는 무한에 가까운 에너지 자원이고 환경오염이 없으며, 전지 에너지, 기계 에너지, 열에너지 등으로 전환이 자유롭다는 장점을 가짐.

▷1839년 영국의 그로브경이 수소와 산소를 결합하여 전기를 생성하는 수소-산소연료전지 장치를 발명. ▷1969년 미국 NASA에서 아폴로 우주선에 내부 전력 원으로 연료 전지를 사용. ▷1980년대 초 일본의 본격적인 연료전지 개발과 더불어 세계적으로 연료전지가 개발되고 있음. ▷우리나라의 경우 1988년 선도 기술 사업(G-7)으로 시작. ▷연료 전지는 중요한 차세대 핵심기술의 하나로 현재 전세계적으로 다양한 연구가 진행중임..

연료전지란? 연료(LNG,LPG등) 및 공기의 화학에너지를 화학적 반응에 의해 전기에너지를 갖는 전지 소용량 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기 생산 대용량 연소과정이나 구동장치 없어 환경문제 를 유발하지 않는 새로운 개념의 발전 기술

연료전지의 기본 개념 Fig. 1 연료전지의 원리 개념도 수소는 Anode를 통과하고 산소는 Cathode를 통과, 수소는 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전류 발생시킴. 발생된 열은 냉난방 열로 사용하거나 배출함.

연료전지의 특징 고효율 : 발전효율 60%, 종합효율 85% 에너지 절감 : 연료전지 사용시 50% 환경 친화적 에너지(SOx,NOx,CO2 1/2,소음,진동) 모듈구조 : 설치면적, 신축, 증설, 수송 간편 분산형 전원 : 공해, 면적, 도심지 설치 용이 다양한 연료 사용 : LNG, LPG, Methanol 등 발전 Scale의 자율화 가격이 비싸다, 내구성 검증 필요, 상용화가 안됨.

연료전지의 종류 AFC (Alkali Fuel Cell) MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) SOFC (Solid Oxide PEFC (Polymer Electrolyte DMFC (Direct Methanol Fuel Cell 운전온도 60 - 90 600 - 700 190 - 220 800 - 1000 25 - 100 25 - 120 발전효율 (%) 45 - 60 40 - 50 50 - 60 40 - 60 전 해 질 수산화칼륨 (액체) Lithium or potassium 인산 (액체) Yttria- Stabilized Zirconia (고체) Polymer Membrane 촉    매 용융탄산염 (Li2CO3- K2CO3) 인산 (H3PO4) 이온(H+)전도성 고분자 막 이온(H+)전 도성 고분자 막 1.알칼리 연료전지(AFC)는 전해질로써 수산화칼륨과 같은 알칼리 사용. 연료는 순수 수소를 쓰고, 산화제로는 순수 산소 쓴다. anode의 촉매는 니켈망에 은을 입힌 것 위에 백금-납 사용, Cathode는 니켈망에 금을 입힌 것 위에 금-백금 쓴다. 기본적인 목적은 자동차 산업의 전원공급용이다. 2. 용융탄산염형 연료전지(MCFC)의 전해질은 낮은 용융점을 가지는 탄화리튬과 탄화포타슘의 혼합물. 전극은 다공성 니켈로 만들고, 전극의 부식성과 내구성 개발에 어려움 있다. 알칼리 보다 장점은 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소에 내성이 있는점. 일산..이산화를 분리하는 것들보다 초기 투자비가 낮고 시스템 설계가 단순해지는 결과를 가져옴. 3. 인산형 연료전지(PAFC)는 전기 생산에 순수한 수소(70%)를 요구하고, 인산형 내의 전극은 탄소 지지체의 표면적 위에 촉매로써 백금이나 백금혼합물을 포함한다. 운전온도는 인산 전해질의 안정도를 위해 허용하는 최대값. 이 기술로 현재까지 발전효율은…. 보다 높은 효율을 얻기 위해서는 전지와 스택 구성품의 개발에 의한 종합시스템 제어에 의존해야함. 4. 고체산화물형 연료전지(SOFC)의 최소구성단위는 단전지(연료극,공기극,전해질 구성). 의 특징은 탄화수소를 직접 전기로 변화시킬 수 있다. 특성은 운전온도가 가장 높다. 이 온도에서는 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화 반응이 일어나고 촉매없이 연료가 개질된다. 금속재료의 열적-기계적 강도를 요구하기 때문에 가스누출방지가 애로사항이다. 목적은 자동차를 사용하기 위한 밧데리 전원 공급에 접목시키는것이다. 5. 고분자전해질형 연료전지(PEMFC)은 액체가 아닌 고체 고분자중합체로써 구별됨. 1,3형과 비슷한 시스템, 촉매로 백금 사용, 출력밀도가 커 소형화 가능, 응용 기술의 적용이 쉬워 이용규모가 작을지라도 상업화 할수 있다. 6. 직접메탄올연료전지(DMFC)는 메탄올을 직접 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템 전해질은 이온 교환막에 인산을 담지시킨것이다. PEFC와 비교하면 개질기 제거 가능, 시스템의 간소화와 부하 응답성의 향상이 도모될 수 있는 장점. 다량의 백금 촉매의 사용과 메탄올과 산화제의 cross over(고체고분자 막 통과하는것) 단점.

수소경제와 연료전지

수소 • 연료전지 세계 현황

연료전지(MCFC) 현황 및 전망

국내 발전용 MCFC 개발현황

분산발전용 MCFC 투자 경제성 분석

발전용 연료전지 개발사업계획

수송용 연료전지(PEMFC) 개요

연료전지 자동차 개발현황

국내 연료전지 자동차 기술개발 현황

수송용 연료전지 개발사업 계획

Fig. 6 연료전지의 전력 비교

응용분야

연료전지의 전망 고분자전해질 연료전지 및 이를 이용한 무공해 연료전지 자동차 개발을 통해 원천기술을 확보하고 관련기술을 산업체에 이전 함으로서 산업경쟁력 강화에 기여. 선진국에서 무공해 자동차의 사용이 곧 의무화될 것이 예상됨에 따라 기술자립을 통해 자동차 수출증대에 이바지. 고효율, 무공해 연료전지 자동차의 개발로 환경오염 방지 및 수송용 에너지 절약에 기여. 고분자전해질 연료전지는 자동차용 동력원외에 발전용 (분산용 발전, 가정용 전원) 이나 이동용 (정보통신 장비용), 군수용 (잠 수함 동력원) 등으로 활용 가능

의 견 에너지전환 효율이 높고 환경 면에서 깨끗한 연료전지는 지구 환경에 대한 관심 증대와 의 견 에너지전환 효율이 높고 환경 면에서 깨끗한 연료전지는 지구 환경에 대한 관심 증대와 함께 매우 유망한 차세대 기술로 평가된다. 특히 국내와 같이 90%이상이 에너지를 외국에서 수입하는 여건에서 연료전지와 같은 에너지절약형의 새로운 에너지 기술 개발은 더욱 필요 할 것이다.

연습문제 최초의 연료전지 장치를 발명한 사람은? 그로브경 연료전지는 ( )와( )의 화학에너지를 전기화학반응으로 직접 전기에너지를 발생하는 장치이다. :수소, 산소 연료전지의 연료극(anode)과 공기극(cathode)에 들어가는 것은? 연료극-수소, 공기극-산소 연료전지의 장점을 간단히 쓰시오. :고효율, 무공해, 무소음, 다연료, 모듈화, 열병합 3가지 구성요소를 쓰라. : 연료극, 공기극, 전해질