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연료전지
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수소와 산소의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술
연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술이다. 이러한 연료 전지는 작동 온도와 주연료의 형태에 따라 알카리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융 탄산염형(MCFC), 고체 전해질형(SOFC), 고분자 전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다.
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
연료전지 발전원리(단위전지)
  • 연료중 수소와 공기중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전
    • 연료극에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리
    • 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동, 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동
    • 공기극 쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물(물)을 생성
    • 최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열생성
    • 연료전지의 반응과정으로 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동하는 과정의 그림입니다.
  • 연료전지의 종류
    • 전해질 종류에 따라 연료전지를 구분
    • 전해질 종류에 따라 연료전지를 구분 목록
      구 분 알카리
      (AFC)
      인산형
      (PAFC)
      용융탄산염형
      (MCFC)
      고체산화물형
      (SOFC)
      고분자전해질형
      (PEMFC)
      직접매탄올
      (DMFC)
      전해질 알카리 인산염 탄산염 세라믹 이온교화막 이온교환막
      동작온도(℃) 120이하 250이하 700이하 1,200이하 100이하 100이하
      효율(%) 85 70 80 85 75 40
      용 도 우주발사체
      전원
      중형건물
      (200㎾))
      중·대형건물
      (100㎾~㎿)
      소·중·대용량
      발전(1㎾~㎿)
      가정·상업용
      (1~10㎾)
      소형이동
      (1㎾ 이하)
      특 징 - CO 내구성 큼,
      열병합대응 가능
      발전효율 높음,
      내부개질 가능,
      열병합대응 가능
      발전효율 높음,
      내부개질 가능,
      복합발전 가능
      저온작동
      고출력밀도
      저온작동
      고출력밀도
    • ※AFC(Alkaline Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid FC), MCFC(Molten Carbonate), SOFC(Solid Oxide), PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane), DMFC(Direct Methanol) → 순서대로 기술발전 단계임
연료전지 발전시스템 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, 연료전지에 특성에 맞는 기술이 미비함
    • AIR
      O2
      연료
      천연가스

      메탄
      온수
      난방
      개질기
      (Reformer)
      cathode (음극)
      연료전지
      (STACK)
      anode (양극)
      전력변환기
      (Inverter)
      교 류
      H2
      D.C
      (100%)
      (30%)
      (50%)

[자료출처 : 한국에너지공단 신재생에너지센터]

  • 담당부서 : 그린에너지연구개발실
  • 담당자 : 김현기
  • 연락처 : 061-288-1017
  • 이메일 : xhsgurdl

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