신재생에너지 - 연료전지
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- 환경과
- 작성자
- 수정일
- 2009-06-15
- 조회수
- 1313
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1. 개요
(1) 연료전지기술
• 연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술
- H₂+ 1/2O₂→ H₂O + 전기
- 생성물이 전기와 순수(純水)인 발전효율 30~40%, 열효율 40% 이상으로 총 70~80%의 효율을 갖는 신기술임
(2) 연료전지 발전원리 (단위전지)
연료중 수소와 공기중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전
① 연료극(양극)에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리 → ② 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는외부회로를 통해 공기극으로 이동 → ③ 공기극(음극)쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물(물)을 생성 ⇒ 최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열 생성
○ 연료전지의 종류
• 전해질 종류에 따라 연료전지를 구분
|
|
알카리(AFC) |
인산형(PAFC) |
용융탄산염형(MCFC) |
고체산화물형(SOFC) |
고분자전해질형(PEMFC) |
직접매탄올(DMFC) |
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전해질 |
알카리 |
인산염 |
탄산염 |
세라믹 |
이온교환막 |
이온교환막 |
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동작온도 (℃) |
100 이하 |
220 이하 |
650 이하 |
1,200 이하 |
80 이하 |
80 이하 |
|
효율(%) |
85 |
70 |
80 |
85 |
75 |
40 |
|
용도 |
특수용 |
중형건물(200㎾) |
중.대형건물(100㎾~㎿) |
소.중.대용량발전(1㎾~㎿) |
가정.상업용(1~10㎾) |
소형이동(1㎾ 이하) |
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선진수준 |
우주선 |
200㎾ |
㎿ 이상 |
㎿ 이상 |
1~10㎾ 보급중 |
500W |
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국내수준 |
- |
50㎾ |
250㎾ |
1㎾ |
3㎾ |
50W |
* AFtC(Alkaline Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid FC), MCFC(Molten Carbonate), SOFC(Solid Oxide), PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane), DMFC(Direct Methanol) → 순서대로 기술발전 단계임
(3) 시스템 구성도
○ 연료전지 발전시스템 구성도
• 개질기 (Reformer)
- 화석연료(천연가스, 메탄올, 석유 등)로부터 수소를 발생시키는 장치
- 시스템에 악영향을 주는 황(10ppb이하), 일산화탄소(10ppm이하) 제어 및 시스템 효율향상을 위한 compact가 핵심기술임
• 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 핵심기술임
• 전력변환기 (Inverter)
- 연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치
• 주변보조기기 (BOP: Balance of Plant)
- 료, 공기, 열회수 등을 위한 펌프류, Blower, 센서 등을 말하며, 연료전지에 특성에 맞는 기술이 미비함
(4) 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 기술 개발된 1세대 연료전지로 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 이용
- 현재 가장 앞선 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있음
• 용융탄산염형 (MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)
- 1980년대에 기술 개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지, 대형건물의 분산형 전원으로 이용
- 미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중 (250㎾ 상용화, 2MW 실증)
• 고체산화물형 (SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)
- 1980년대에 본격적으로 기술 개발된 3세대로서, MCFC보다 효율이 우수한 연료전지, 대형발전소, 아파트단지 및 대형건물의 분산형 전원으로 이용
- 최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나 우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이 가장 낮음
• 고분자전해질형 (PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane)
- 1990년대에 기술 개발된 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 기술 개발된 연료전지로 이동용(핸드폰, 노트북 등) 전원으로 이용
- 고분자전해질형 연료전지와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야임
<출처> 에너지관리공단 신재생에너지센터