연 료 전 지 2012. 05. 전 북대학교 IT응용시스템공학과 소 병 문

목 차 인류의 에너지원 변화 2. 연료전지의 원리 3. 연료전지 설치사례 4. 연료전지 향후 전망 □ 에너지원의 변천 목 차 인류의 에너지원 변화 □ 에너지원의 변천 □ 에너지원 변천의 메가트렌드 □ 수소에너지의 특징 2. 연료전지의 원리 □ 수소에너지 기술 □ 연료전지 란 ? □ 연료와 에너지변환 □ 연료전지 기본원리 □ 수소 연료전지 기술체계 □ 연료전지 종류 □ 연료전지 응용 □ 연료전지 작동원리 □ 국내 기술개발 동향 3. 연료전지 설치사례 □ 연료전지발전소의 주요구성 및 역할 □ 타 신재생에너지설비와의 비교 □ 연료전지발전소의 운전모드 □ 연료전지발전소의 보호장치 및 검사방법 4. 연료전지 향후 전망 □ 연료전지 보급계획 □ 마지막 난제와 우리공사의 역할

1. 인류의 에너지원 변화 □ 에너지원의 변천 나무에너지시대 불의발견~ 1884년 석탄에너지시대 65년 1,885~1,949년 석유에너지시대 1,950년~? (100년 예상) 수소에너지시대 언제부터? 증기기관발명 내연기관발명 연료전지발명

□ 에너지원 변천의 메가트렌드 에너지원의 변천 ▶ 나 무 석 탄 석 유 천연가스 수 소 에너지원의 형태 고 체 액 체 기 체 ○ 인류가 불을 사용하면서 에너지원은 보다 청결하고, 환경에 미치는 영향이 작은 방향으로 발전 ○ 에너지원 변화의 메가트렌드는 소프트화, 고급화로 요약될 수 있으며, 수력, 풍력 등 자연에너지를 제외하면 『고체→액체→기체』순으로 진화하고, ○ 화학적으로 구분하면 에너지원 『수소대비 탄소비율 감소 방향』으로 변화 ○ 수소는 “기체”이면서 탄소비율이 “0”이므로 가장 이상적인 연료 ○ 2,025년 저개발국의 에너지소비가 현재 OECD국가의 절반수준으로 증가해도 신규전력 8백만 MW/미국 발전량의 8배, 석유는 약 100억톤/미국+유럽의 7배 ○ 대기중의 이산화탄소 농도증가에 따른 온난화 방지를 위하여 사용중에 이산화탄소를 발생시키지 않는 수소가 가장 이상적인 에너지원으로 대두 에너지원의 변천 ▶ 나 무 석 탄 석 유 천연가스 수 소 에너지원의 형태 고 체 액 체 기 체 수소대비 탄소비율 10 2 0.25

□ 수소에너지의 특징 ○ 무색, 무향, 무취, 무공해 ○ 지구 표면물질의 70% 이상이 수소로 구성 ○ 우주에서 가장 흔한 에너지원 ○ 공기보다 밀도가 ¼ 수준으로 액화시 부피가 1/700으로 감소 (액화를 위해서는 영하 254℃로 냉각) ○ 단위질량당 에너지량이 높음 (수소 121kJ/g, 가솔린 42kJ/g) ○ 보관에 따른 위험도 증가 (자동차용 수소저장용기는 약 714kg/㎠) ○ 폭발범위가 높아 누설시 매우 위험 (4 ~ 75%로 매우 넓고, 발화에너지도 작아 매우 위험) ※ 수소는 이상적인 연료이나, 추출하는데 비용이 많이 들고, 보관이 어려우며, 누설시 매우 위험하기 때문에 현재로는 경제성이 있는 연료는 아니다.

2. 연료전지의 원리 □ 수소에너지기술 수 소 연료전지 신 재 생 석 에 연 너 료 지 물리적 수소저장 (합금, LH2, CNT, 고압가스) 장기 과도기 (현재) 천연가스 석 탄 석유/잔사유 태양광 풍 력 광촉매 Bio 신 재 생 에 너 지 가 스 화 열 분 해 수 증 기 개 질 전 물 수 소 화학적 수소저장 (CO2 활용) 연료전지 발전소 제철소 발 전 용 가 정 용 수 송 용 휴 대 용 CO2 석 연 료 원 자 력 ※ 2007년 국내 수수생산량은 40만톤 규모이며 주로 산업용으로 사용됨

화학적 에너지 → 전기에너지 Fuel Fuel Cell Oxidant Electricity Heat H2O, CO2 □ 연료전지 란 ? 화학적 에너지 → 전기에너지 Fuel Electricity Fuel Cell Oxidant Heat H2O, CO2

□ 연료와 에너지 변환 물질이 가지고 있는 에너지 물질은 자발적 반응 시 다른 쪽으로 에너지를 주는 것이 가능. H2(g)+1/2O2(g) - 1/2H2O(l) : 25 C 표준상태 286 kJ/mol 반응계로 방출 DH =286kJ DG=237 Q=49 kJ H2(g)+1/2O2(g) 1/2H2O(l) 표준상태 엔탈피 변화 D H는 가역 상태인 경우 237kJ은 유효 일로 되고 나머지가 가역적 열(Q) 전환. 가역 과정에서 최대 사용 가능한 일은 자유 에너지 변화량 (DG)만큼이고, 이때 발생된 열을 온도로 나눈 값이 엔트로피 변화량(D S)이 된다. D H (물질 에너지변화) = D G (일) + T D S (열) 이론적으로 최대 일 즉 자유 에너지 변화를 최대 100%효율로 전력으로 변환 가능한 전기화학 시스템이 바로 전지이다

□ 연료전지 기본원리 연료전지 기본 원리 : 물의 전기 분해 반대현상 ( - )연료 전해질 산화제(+) 전자(외부회로) 연료전지 기본 원리 : 물의 전기 분해 반대현상 ( - )연료 전해질 산화제(+) 전자(외부회로) 연료 ion(전지내) 연료 산화제 산화제생성물 A)산성용액 B) 알카리 용액 H2 O2 Electrolysis Fuel Cell 전기분해 : H2O + 전기 H2 + O2 연료전지 : H2 + O2 H2O + 전기 + 열

생산기술 저장기술 발전, 난방용 수 송 용 지원기술 이동기기용 □ 수소 연료전지 기술체계 수소관련기술 Fuel Cell 생산기술 저장기술 발전, 난방용 수 송 용 지원기술 이동기기용 MCFC PEMFC SOFC DMFC 화석연료 분해 신재생에너지 이용 원자력이용 고압가스 보관 액체수소 보관 다공질 금속내 보관

□ 연료전지 종류 종류 고 온 형 저 온 형 용융탄산염 (MCFC) 고체산화물 (SOFC) 인산형 (PAFC) 고분자 전해질형 (PEMFC) 알카리 (AFC) 직접메탄올 (DMFC) 주 연 료 천연가스 석탄, 수소 천연가스 메탄올, 수소 등 천연가스 메탄올, 수소 등 수소 메탄올 전해질 용융탄산염 Li2CO3, K2CO3 (액체) 고체산화물 인산 H3PO4 이온전도성 고분자막 (나피온) 수산화칼륨 Polymer Membrane 운전 온도 600~700 ℃ 700~1000℃ 150~200 ℃ 85~100℃ 상온~100 ℃ 25~130℃ 문 제 점 전해질 증발 따른 운전 성능 저하 세라믹재료 고온 성능 개선 필요 발열에 따른 전지성능 저하 CO에 의한 촉매 부식 CO2의 경제적 제거 기술 필요 다량의 고가 촉매 (백금) 기술 수준 개발 단계 상용화 단계 개발 및 실증 단계 사 용 중 사용 분야 복합,열병합발전 (25kW~1MW) 복합,열병합발전 (250kW~1MW) 열병합 (100~200kW) 소형전원 (수십W) 자 동 차 (수십kW) 잠 수 함 우 주 선 소형전원 자 동 차

수소 저장 기술 (고압수소, 액체수소, CNT, 화학수소화물) □ 연료전지 응용 휴대용 수백 W 이하 수송용 75 kW 가정용 3 kW 발전용 250 kW 이상 응용분야 대상 연료전지 PEMFC MCFC SOFC DMFC 수 소 에너지 수소 저장 기술 (고압수소, 액체수소, CNT, 화학수소화물) 수소 생산 기술 (화석연료 / 신재생 에너지) 수소 인프라 구축 (수소 스테이션)

□ 연료전지 작동원리 ○ 인산 연료전지 인산 (Phosporic Acid) 전해질 사용, 약 200°C 온도에서 동작 화석연료를 개질 가스 사용 금속 재료 사용 및 내열성 불소수지계 이용 수 냉각 가능하고 (소형화), 배열 이용 난방 및 급탕 이용이 가능 고가 백금 촉매를 사용.

○ 용융탄산염 연료전지 용융염(Li/K,Na)을 전해질로 사용 동작온도 650 ºC 고가의 전극 촉매 불요 높은 발전효율 연료의 다양성(NG외 석탄가스 사용) 내부 개질 방식 가능 저공해(CO2저감, 기존 20-40%) 고온 배열이용 복합발전 분산형 중앙 집중형(수MW-수백MW)

○ 고체산화물 연료전지 O2 O-2 전해질로 안정화 지르코니아(YSZ) 동작온도 약 700 - 1,000 ºC 백금촉매 불 필요, 내부개질 고출력(0.3W/cm2) , 높은 발전효율 연료 다양성 (NG외 석탄가스 사용) 고온 배열이용 복합발전 MCFC 와 달리 CO2 Recycle 무 분산형 중앙 집중형(수MW-수백MW) O2 O-2

○ 고체고분자 연료전지 전해질로 고분자 전해질 사용 동작온도 약 70 - 100 ºC 전해질 비산의 문제가 없다. 고출력(1 - 2 W/cm2) , 높은 발전효율 소형 경량화가 용이 CO2 포함된 연료 및 공기 이용이 가능

○ 직접 메탄올 연료전지 연료로 메탄올을 직접 전극에 주입 하여 사용하는 연료전지 동작온도 약 70 - 100 ºC e- CH3OH H2O anode H+ e- O2 cathode membrane CO2 연료로 메탄올을 직접 전극에 주입 하여 사용하는 연료전지 동작온도 약 70 - 100 ºC 전체 시스템 단순고출력(1 - 2 W/cm2) , 높은 발전효율 소형화 및 연료공급 용이 상온에서 기동이 가능 기동 시간이 짧다. 소형 경량화가 용이

○ 연료전지 스택 구조 단위전지 구성 출력 전류를 높히기 위하여 면적을 증가 전극(Anode, Cathode) 전해질, 매트릭스 분리판 으로 구성 (전지전압 0.7-0.8V, 0.6- 1kW/매) 스택 구성 출력 전압을 높히기 위하여 단위전지를 직렬로 적층 (250-500 kW)