산화전극(Anode)에서는 연료의 산화가 일어나고,
환원전극(Cathode)에서는 산소와 결합하여 환원이 일어나는데,
전체 반응을 통해 방출되는 에너지가 전기의 형태로 외부에서 활용된다.
발전 효율이 높고 발전과정만을 볼때 친환경적이기 때문에
미래의 에너지원으로서 크게 주목받고 있습니다.
연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를
직접 전기에너지로 변환시키는 기술로 화학식은 아래와 같습니다.
H2+ 1/2O2→ H2O + 전기
생성물이 전기와 순수(純水) 한 물로 발전효율 30~40%,
열효율 40% 이상으로
총 70~80%의 효율을 갖는 신기술입니다.
전지는 다음과 같이 발전해 오고 있습니다.
1차 전지 : 건전지와 같이 한 번 쓰고 버리는 전지
2차 전지 : 리튬이온 전지와 같이 충방전을 반복하여 쓰는 전지
3차 전지 : 연료를 주입하여 지속해서 사용할 수 있는 전지
1. 연료전지의 원리
연료전지 발전원리
2. 연료전지의 종류
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구분
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전해질
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동작
온도
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효율
(%)
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용도
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프로톤(이온)교환막 FC (PEMFC)
(Proton exchange membrane)
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고분자전해질FC
(PEFC)
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이온교환막
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100도
이하
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75
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가정 자동차
(1~100kw)
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직접 메탄올FC
(DMFC)
|
"
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100도
이하
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40
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소형이동용
(1kw이하)
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알카리 FC (AFC)
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알카리
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120도
이하
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85
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우주발사체
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인산형 FC (PAFC)
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인산염
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250도
이하
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70
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분산전원
(200kw)
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용융탄산염 FC (MCFC)
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탄산염
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700도이하
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80
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복합,열병합
(100~Mw)
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고체산화물 FC (SOFC)
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세라믹
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1200도
이하
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85
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복합,열병합
(1~Mw)
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3. 연료전지별 특성
PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell)
고분자 전해질 연료전지
고분자를 전해질로 사용하는 연료전지로 100°C 이하에서 운전되며
주로 사용되는 운전온도는 상온에서 80°C 정도이다.
연료전지 자동차에 적용될 경우 영하의 온도에서도
시동이 가능하도록 제작되고 있다.
연료로 직접 메탄올을 사용하는
직접 메탄올 연료전지 (Direct Manthanol FC)도
이온교환막을 사용하기 때문에
이 둘을 PEMFC 라 하며
DMFC는 개질기를 사용하지 않고 메탄올로 직접발전을 하기 때문에
시스템을 보다 간소화 할 수 있고 부하 응답 특성도 향상시길 수 있지만
낮은 반응속도에 의한 저출력 밀도, 다량의 백금촉매를 사용하여야 한다는 단점이 있다.
일반적으로 수소를 원료로 사용하는 경우
저온작동에 고출력밀도 특성을 보이는
고분자전해질 연료전지 (PEFC)가 대표적이라 할 수 있겠다.
AFC (Alkaline Fuel Cell)
알카라인 연료전지
농축 수산화칼륨 (Concentrated KOH) 을 전해질로 사용하는
연료전지로 100°C 이하에서 운전되며
수산화칼륨이 알카리성분으로 알카라인 FC로 불린다.
공기극에서 생성된 수산화이온는 전해질을 통해 연료극으로 이동하고 연료극에서 수소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다.
(보통의 발전방식과 역으로 발전)
PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)
인산형 연료전지
전해질로 인산을 사용하는 연료전지로
작동온도는 160~250도 정도이다.
95% 이상의 진한 인산을 탄화규소 메트릭스에 합침시킨 것을
전해질로 사용하며 개질기를 통해 수소를 발생시켜 발전한다.
가장 먼저 상업운전된 연료전지로 분산형 전원용으로 활용되고 있다.
일산화탄소에 대한 내구성이 크며, 열병합대응이 가능하다.
MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
용융탄산염 연료전지
전해질로 용융탄산염을 사용하며 600도 이상의 온도에 작동하고
양질의 폐열을 얻을 수 있어 열병합발전의 효율을
증대시킬 수 이는 이점이 있으며
연료로 수소 이외에 일산화탄소를 사용할수 있어 석탄가스화(IGCC)
장치와 조합하여 대규모 발전시스템을 구성할 수 있다.
SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
고체산화물 연료전지
전해질로 고체산화물
(이트룸옥사이드로 도핑된 지르코늄 옥사이드를 많이 사용)
을 사용하는 연료전지이며 공기극에서 연료극으로
산소 음이온이 이동한다.
연료전지중에서 가장 높은 온도(700~100°C)에서
연료전지 반응이 이루어진다.
4. 전해질이 갖는 온도 특성
연료전지별로 전해질을 달리하여 사용되는 이유는
고온으로 작동시 수소이온의 활성도를 높혀
발전용량의 증대를 꾀할 수 있기 때문이다.
5. 시스템 구성도
개질기(Reformer)
화석연료(천연가스, 메탄올, 석유 등)로 부터 수소를 발생시키는 장치
시스템에 악영향을 주는 황(10ppb이하), 일산화탄소(10ppm이하) 제어 및 시스템 효율향상을 위한 compact가 핵심기술
스택(Stack)
원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를
수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체
단위전지 제조, 단위전지 적층 및 밀봉, 수소공급과 열회수를 위한
분리판 설계·제작 등이 핵심기술
전력변환기(Inverter)
연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는
교류(AC)로 변환시키는 장치
주변보조기기(BOP: Balance of Plant)
연료, 공기, 열회수 등을 위한 펌프류, Blower, 센서 등을 말하며,
연료전지특성에 맞는 기술이 미비함
7. 각 연료전지 발전 현황
알칼리형(AFC : Alkaline Fuel Cell)
1960년대 군사용(우주선 : 아폴로 11호)으로 개발 순 수소 및 순 산소를 사용
인산형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell)
1970년대 민간차원에서 처음으로 기술개발된 1세대 연료전지로 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 이용
현재 가장 앞선 기술
용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)
1980년대에 기술개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지,대형건물의 분산형 전원으로 이용
고체산화물형(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)
1980년대에 본격적으로 기술개발된 3세대로서,
MCFC보다 효율이 우수한 연료전지
대형발전소, 아파트단지 및 대형건물의 분산형 전원으로 이용
고분자전해질형(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane)
1990년대에 기술개발된 4세대 연료전지로
가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용
가장 활발하게 연구되는 분야이며,
실용화 및 상용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있음
직접메탄올연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)
1990년대 말부터 기술개발된 연료전지로 고분자전해질형 연료전지와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야임
8. 향후 개발 이슈
연료전지는 전체적으로 살펴볼 때 우리 지구환경을 보전을 위해서도
반드시 가야 할 길임에 분명 하나
기술 개발 속도가 아직은 실 생활에 광범위하게 활용 가능할 정도로
확산세가 부족한 면이 있음
또한 수소를 추출하기 위한 개질기 및
석탄가스화, 석유가스화, 천연가스 등에서 수소 추출 시
이산화탄소를 다량 배출함은
탄소중립에 실제적인 도움이 될 수 없을 것이며
해수 등에서 수소를 추출하는 방식 또한 전기분해에 따른
생산원가가 높아 아직 상용화가 못되고 있는 점은
앞으로 기술개발이 더 이루어져야 할 부분으로 판단됨.
꿈과 희망을 전하는 "별 헤는 밤"이었습니다.
