마이크로그리드 전원장치 - 연료전지 - 2012. 11. 6. 경북대학교 김 흥 근.

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1 마이크로그리드 전원장치 - 연료전지 - 경북대학교 김 흥 근

2 마이크로그리드 전원 - 연료전지  내 용  수소 연료전지 기본 원리  직접 메탄올 연료전지
(DMFC : Direct Methanol  Fuel Cell)  고분자 연료전지 (PEMFC : Proton Exchange Membrane Fuel Cell)  Nexa 연료전지 특성  연료전지 구동용 전력변환장치

3 수소 연료전지 기본 원리 물의 이온화 연료전지 원리 직류전압 인가 H2O  O2 (산소 : OXYGEN)
H2 (수소 : Hydrogen) 직류전압대신 전류계 2H2+O2  2H2O (물) 전극사이 전자 흐름  에너지 발생

4 에너지 & 회로 전압 풍력발전 연료전지 입/출력 ▪ 출력 = 전기적에너지 : vit ▪ 효율 = 약 50%
▪ 바람 (기계적 에너지)  전기적에너지 연료전지 입/출력 ▪ 입력 = 화학적 에너지 : 수소, 산소, 물 ▪ 출력 = 전기적에너지 : vit ▪ 효율 = 약 50%

5 수소 연료전지 기본 원리 연료전지 원리 연료전지 기본 구조 전극 사이 흐르는 전자(전류) 가 작은 이유
 가스와 전극 및 전해물 사이에 접촉되는 면적이 적음  전극과 전해물사이가 거리가 크므로 전자의 흐름을 방해 연료전지 기본 구조 전류를 증가 방법  전극 : 넓은 평면  전해질 : 얇은 층

6 수소 연료전지 기본 원리 연료전지의 장점 (엔진 및 배터리와 비교하여) 화학에너지를 바로 전기에너지로 변환
 엔진에 비하여 효율이 높음 기계적으로 움직이는 부분이 없음  신뢰성이 높음, 기계적인 마모가 없고, 소음이 거의 없음 공해물질 배출이 거의 0 연료전지의 용량 : 1W에서 MW 까지 범위가 넓음  배터리 : 큰 용량이 없음 배터리에 비하여  재충전 시간이 짧음

7 수소 연료전지 기본 원리 연료전지의 단점 (엔진 및 배터리와 비교하여) 연료전지 가격이 고가
전력밀도 (단위 부피당 출력되는 전력 비) 가 낮음 수소가스  이용 및 보관이 어려움  낮은 에너지 밀도 또 다른 연료 (메타놀 등)  바로 사용하지 못하고 reforming 하여야 함  동작온도 제한

8 연료전지 종류 및 특성 연료전지 종류 및 특성, 응용분야 연료전지 종류 Mobile Ion 동작 온도 Catalysis
(촉매) 응용분야 Proton Exchange Membrane (PEMFC) H+ 90C Pt 자동차, 통신장비 등 Alkaline (AFC) OH- 80C 우주선 Direct Methanol (DMFC) 휴대용 전자장비 Phosphoric Acid (PAFC) 200C Ni 발전용 Molten Carbonate (MCFC) CO32- ∼600C 중간-큰 용량 발전용 Solid Oxide (SOFC) O2- ∼1000C Ni/Zr 수MW급 발전용

9 수소 연료전지 기본 원리 산 전해질 연료전지 Anode : 2H2 (수소)  4H+ + 4e- : 4H+로 전해물로 통과, 4e-부하로 Acid Electrolyte (산 전해질)[H+] : Cathod : O2(산소) + 4e- + 4H+  2H2O (물)

10 수소 연료전지 기본 원리 알칼리 전해질 연료전지
Cathod : O2(산소) + 4e-(부하) + 2H2O  4OH- : Anode로 이동 Electrolyte : Hydroxyl (수산기) [OH-] 이동 Anode : 2H2(수소) + 4OH- (Cathod)  4H2O + 4e- : 4e-부하로 이동

11 수소 연료전지 기본 원리 셀의 직렬연결 ▪ 전압 증가를 위하여  Cell의 직렬연결 ▪ 셀의 연결 부분 전압 강하 발생
▪ 한 셀의 출력전압 (정격부하 시) : 0.7 V ▪ 전압 증가를 위하여  Cell의 직렬연결 ▪ 셀의 연결 부분 전압 강하 발생  Bipolar Plate 방식 사용 3개 Cell의 직렬연결

12 수소 연료전지 기본 원리 가스 공급과 냉각 ▪ 가스누설방지용 차폐 ▪ 수소와 산소를 manifold로 공급

13 직접 메탄올 연료전지 (DMFC) DMFC 원리
▪ 액체 메탄올 사용 (저온 연료전지) : 우주선, 군사용 통신, 노트북 전원 등에 사용 DMFC 원리 ▪ Anode : ▪ Cathod : ▪ Overall :

14 직접 메탄올 연료전지 (DMFC) DMFC 구조

15 직접 메탄올 연료전지 (DMFC) DMFC의 운전장치 ▪ 공기공급장치 ▪ 메탄올공급장치
▪ 연료희석장치 및 센서 (연료의 농도제어) ▪ 공기공급장치 ▪ 열교환장치 : 온도조정용

16 직접 메탄올 연료전지 (DMFC) DMFC/Battery hybrid 시스템 제어

17 고분자 연료전지 (PEMFC) 구조 ▪ Proton Exchange Membrane (PEMFC)의 구조
▪ 전해물 : 고체형 polymer (중합체) 사용 ▪ 전해질 사이 : 양자 (H+) 이동  간단한 구조를 가진 연료전지(저온) ▪ 자동차, 통신장비 전원용으로 많이 사용 ▪ Proton Exchange Membrane (PEMFC)의 구조

18 고분자 연료전지 (PEMFC) 동작원리  Anode side:  압축된 수소 가스(H2)가 입력
 수소(H2) 분자가 백금촉매 (platinum catalyst layer)에 접함  H2 분자 => 두 개의 H+ ion 과 electron (e-)로 분리 2H2 => 4H+ + 4e-  HOR (Hydrogen Oxidation Reaction)  Electron이 anode에서 외부 회로를 통해 다시 연료전지의 cathod  Electrolyte (전해질) :  proton exchange membrane (양자교환막) 사용  양전하의 ion (4H + ) 들만 통과  Electron들의 이동은 차단

19 고분자 연료전지 (PEMFC) 동작원리  Cathode side :  산소 가스(O2)가 입력
 산소 (O2) 분자 O2 => O + O 로 분리 (음전위)  강한 음전하의 산소 원자  H+ 이온들을 끌어당겨 막을 통과 - Cathode에서 두 개의 수소원자와 2개의 전자가 결합 O + 2H+ + 2e- => H2O : 물 발생  ORR (Oxygen Reduction Reaction)

20 고분자 연료전지 (PEMFC ) PEMFC 운전장치 ▪ 연료전지 stack 온도 제어장치
▪ 산소 및 수소 압력 (flow) 및 습도 (Humidity) 조절 장치 ▪ 연료전지 stack 온도 제어장치

21 고분자 연료전지(PEMFC) 특성 연료전지의 일반특성 전류 밀도에 대한 셀전압 곡선 (PEMFC와 DMFC)

22 고분자 연료전지(PEMFC) 특성 연료전지의 출력전압특성 * 부하증가시 출력전압 감소 요인
▪ Activation loss : 전극 표면에 전하 화학반응 시 전압 일부분 사용 발생 손실 ▪ Ohmic Resistance loss : 전하가 전해질 통과 시 저항성분에 의한 전압강하 ▪ Mass Transport Limitation : 전극에서의 반응물 집중도가 감소

23 Nexa 연료전지 (PEMFC ) Fuel Cell Stack ▪ 수소 및 산소 → Unregulated DC 전압 발생
외부 연료 습도조절 불필요, 공냉  간단한 구조 출력전력 : 1.2KW, 무부하 시 : 43V, 전부하 시 : 26V 출력전압 및 CVC (Cell Voltage Checker) 를 모니터링  각 Cell pair의 성능 및 고장 진단 Fuel cell stack에서 Cell failure 또는 불안전 상태 시 → 연료전지 시스템 shut down

24 Nexa 연료전지 특성 Output power & Output voltage

25 Nexa 연료전지 특성 Output power & Efficiency

26 Nexa 연료전지 (PEMFC) 구성 PEMFC 구성

27 연료전지 구동용 전력변환장치 DC-DC converter * 연료전지 출력전압을 Boost 소용량 고주파 절연방식 (I)
DC  AC  변압기 승압  DC  AC 소용량 저주파 절연방식 (II) DC  DC Boost  AC  변압기 승압

28 연료전지 구동용 전력변환장치 Grid-connected Inverter

29 감사합니다