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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
1. 연료극에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리
2. 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동, 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동
3. 공기극 쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물(물)을 생성
최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열생성
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
시스템 구성도
  • 연료전지 발전시스템 구성도
    • AIR (O2)
      연료
      개질기(Reformer)
      cathode (음극)
      연료전지(STACK)
      cathode (음극)
      전력변환기(Inverter)
      교류
      온수
      난방
      • 천연가스 남사
        메탄올(100%)
      • H2
      • D.C
      • (30%)
      • (50%)
  • 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
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 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있음
  • 용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)
    • 1980년대에 기술개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지, 대형건물의 분산형 전원으로 이용
    • 미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중(250kW 상용화, 2MW 실증)
  • 고체산화물형(SOFC : Sold Oxide Fuel Cell)
    • 1980년대에 본격적으로 기술개발된 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 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 이동용(핸드폰, 노트북 등) 전원으로 이용
    • 고분자전해질형 연료전지와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야임

[자료출처 : 한국에너지공단 신재생에너지센터]

  • 담당부서 : 풍력T/F팀
  • 담당자 : 오영철
  • 연락처 : 061-288-1053

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