신재생에너지 개론 ( 연료전지 )

Clean Energy for the Future : Fuel Cells1

신재생에너지 개론( 연료전지 )

곽 이 구

[email protected]

016-664-2988

곽 이 구

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Clean Energy for the Future : Fuel Cells

신재생에너지의 필요성

Limited Energy Sources

Oil40 years

NG60 years

Coal230 years

에너지원 고갈18C 이후 기술 문명 발달과 중화학 공업의 발달-> 화석연료 사용 급증

환경 오염


Temperature IncreaseGreenhouse Gases

오존층 파괴• 지구 온난화 ( 화석 연료 사용량 증가 ->CO2, CH4, NO2 등의 농도 증가로 야기 ) 지구의 평균온도 상승• 이상기온 ( 이상가뭄 , 국지적 홍수 , 폭설 )• 온실가스 증가 -> 해수면 상승 ( 농지 상실 )• 기후변화에로 인한 생태계 파괴

환경 오염


온실가스 (Green House)

• 가시광선을 흡수하여 온도가 상승하는 표면은 스펙트럼의 가시영역 보다 장파장의 방사선 , 즉 , 적외선 (Infra - red, IR) 을 재 방출 (Re-emit)

• 지구가 태양광으로 인하여 온도가 상승할 때 재 방출된 적외선은 분자들이 , 즉 메탄 (Methane), 이산화탄소 (Carbon dioxide) 그리고 , 물 (Water), 진동할 때 흡수

• 이 흡수 된 에너지는 대기층에 있는 다른 분자들과 충돌하면서 확산이 되고 결과적으로 대기층의 온도가 상승하게 된다 .


에너지 소비량 급증

Dramatic Growthin Energy Use

Oil Demand(Vehicle)Conventional OilProduction

에너지 소비량 증가 ; 1996 년 (436 trillion kWh), 2020 년 ( 711 trillion kWh)개발도상국가의 에너지 소비 급증 (60% -> 100% 이상 ); Chindia (China + India)국내의 에너지소비량 증가 ; 매년 10.4% 증가


석유 무기화

석유 확보 경쟁 , 음모

• 러시아와 체첸 분쟁 ; 카스피해의 석유• 아프가니스탄 ; 카스피해 석유와 가스를 파키스탄과 인도양으로 수송하려 할 때 통로 역할을 하는 요충지• 미국의 이라크를 침공 ; ( 대량학살무기 , 생화학 무기 ) 석유 ?


현재 한국의 에너지 상황은 ......


신재생에너지 (New & Renewable Energy)란 ?

풍력신재생 에너지New & Renewable Energy

지열해양에너지

소수력

폐기물

수소연료전지

석탄액화가스화

태양광태양열

바이오매스

대체에너지개발 및 이용보급촉진법 제 4조 , 에너지관리공단 , 산자부 , 2003. 12

석탄 , 석유 , 천연가스 , 원자력이 아닌 에너지 (11 개분야 )

지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래 에너지원 재생에너지 : 태양열 , 태양광 , 바이오매스 , 풍력 , 소수력 , 지열 , 해양에너지 , 폐기물에너지 신 에너지 : 연료전지 , 석탄액화가스화 , 수소에너지


에너지 paradigm 의 변화


수소경제 ( 에너지 ) 시대

20 세기 초반 석탄의 시대풍부한 매장량채굴의 용이성낮은 효율채굴의 고비용공해 유발

20 세기 후반 석유의 시대높은 효율응용의 다양성공해 유발자원의 무기화한정된 매장량

21 세기 수소의 시대 ?높은 효율무공해높은 제조비용폭발성수송 및 저장


신ㆍ재생 에너지 시대의 도래


수소 경제 태동의 가시화


Fuel cell? ( 연료 전지 )연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지 일종의 발전장치 ( 發電裝置 ) 라고 할 수 있으며 산화 · 환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만 , 닫힌 계 내 ( 系內 ) 에서 전지반응( 電池反應 ) 을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 , 반응생성물이 연속적으로 계 외 ( 系外 ) 로 제거된다 수소연료 사용 ; 수소 연료전지기체연료 사용 ; 메탄과 천연가스 등의 화석연료 ( 化石燃料 )액체연료 사용 ; 메탄올 ( 메틸알코올 ) 및 히드라진

저온형 ; 작동온도가 300 ℃ 정도 이하 고온형 ; 작동온도가 300 ℃ 정도 이상 .

제 2 세대 연료전지 ; 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 용융탄산염 연료전지제 3 세대 연료전지 ; 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지


전지 , 電池 , Battery or Cell

Device converting the original energy of material to electrical

energy using its chemical or physical change

전지

화학전지 물리전지

태양전지연료전지1 차전지2 차전지

알칼리계 리튬계 리튬계 망간계

니켈카드뮴

니켈아연

니켈수소아연공기

리튬망간 알칼리망간

리튬폴리머리튬이온

리튬폴리머

리튬이온폴리머

플라스틱

알칼리형

인산형

용융탄산염

고체산화물

고분자전해질

실리콘계비실리콘계


History of Fuel Cells

1. William R. Grove (1842) : “Gaseous voltaic battery” ( 연료전지 ) 발견 Philosophical Magazine and Journal of Science, 1843

황산 용액에 두 전극을 담그고 산소와 수소를 흘려주어 전기를 발생시킨 것이 연료전지의 시작


History of Fuel Cells2. Rideal and Evans (1922) : “fuel cell” 이라는 명칭 사용

3. 1950 년대 이후 저유가 시대가 지속되면서 연료전지에 대한 관심이 저하

4. Apollo Space Mission (1966-1972); 순 수소 및 순 산소를 사용 Alkaline fuel cell (AFC) by Pratt & Whitney Aircraft Three 31-individual fuel cell units, 27-31V, 1.4kW



5. 인산 형 (PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell) 1970 년대 민간차원에서 처음으로 기술 개발된 1 세대 연료전지로 병원 , 호텔 , 건물 등 분산 형 전원으로 이용 현재 가장 앞선 기술로 미국 , 일본에서 실용화 단계에 있음

6. Fuel Cell Powered Electric Vehicles (1970) Alkaline Fuel Cell Vehicle by Dr. Karl Kordesch (Union Carbide) : 300km driving range



7. 용융 탄산염형 (MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell) 1980 년대에 기술 개발된 2 세대 연료전지로 대형발전소 , 아파트단지 , 대형건물의 분산 형 전원으로 이용 미국 , 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중 (250 ㎾ 상용화 , 2MW 실증 )

8. 고체 산화물 형 (SOFC : Solid Oxide Fuel Cell) 1980 년대에 본격적으로 기술 개발된 3 세대 MCFC 보 다 효 율 이 우 수 한 연 료 전 지 , 대형발전소 , 아파트단지 및 대형건물의 분산 형 전원으로 이용 최근 선진국에서는 가정용 , 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나 우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이 가장 낮음



9. Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFCs)

- Grubb and Niedrach at General Electric (1960) : Cross-linked polystyrene sulfonic acid

- Gemini Space Missions (1965-1966)

- New polymer electrolyte, Nafion membrane by du Pont (1972)

- 자동차에 적용 함으로서 미래 동력원으로서의 연구 급진전 (1980 년대 )

Gemini Fuel Cell Unit



10. Fuel Cell Vehicles with PEMFCs

- General Electric and Los Alamos National Lab (1982) : PEMFC 를 처음으로 차에 도입 - Ballard Power Systems and Daimler-Benz (1994) : NECar (New Electric Car) 를 선보임

NECar 1 (1994) 50kW Ballard PEMFC stack 81 miles range Hydrogen fuel



1842, William R. Grove 경 “Gaseous voltaic battery” 발견

1922, Rideal & Evans, “fuel cell” 명칭사용

1966-1972, Apollo Space Mission 에 AFC 사용1972, DuPont 에서 Nafion 합성

1980 년대 , 한국 , 연료전지 연구시작

1994, Ballard & Daimler-Benz, NECar 1 (New Electric Car) 개발

1937, Baur & Preis, Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) 발명

1946, Davtyan, Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) & Alkaline Fuel Cell (AFC) 발명

1967, Pratt & Whitney Aircraft 사 Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) 발명

1960, GE 사 , Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell 발명

1967, GM 사 , Fuel Cell powered Electrovan 제작

1992, Jet Propulsion Lab, Solid polymer (Nafion) 이용Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) 발명

1997, Hockaday (LANL), Micro Fuel Cell 개발

2001, 현대 , 국내 최초 싼타페 연료전지 자동차 개발


연료전지 원리

연료전지는 전해질 (electrolyte) 과 두 개의 전극 (electrode) 이 샌드위치처럼 포개어져 있는 형태로 산소와 수소가 각각의 전극으로 흘러갈 때 , 전기와 열 그리고 물이 만들어진다 .

연료전지에는 천연가스 , 메탄올 , 가솔린 등의 다양한 연료가 사용되어질 수 있는데 , 연료 개질 기 (fuel reformer) 를 이용해 수소로 개질 하여 사용하거나 순수 수소를 사용한다 .


연료전지 원리

Anode( 양극 ): H2 2H+ + 2e- Eo = 0.0V

Cathode( 음극 ): ½O2 + 2H+ + 2e- H2O Eo = 1.229V__________________________________________________________________________________________________________________

Cell: H2 + ½O2 H2O + Electricity + Heat Eo = 1.229V

연료전지는 원리상 열기관이 가지고 있는 제한 즉 , 카르노 효율에 제한되지 않고 매우 높은 효율을 가질 수 있는 장치이다 .


연료 전지 vs. 전기 분해 ( 물 )

Electrolysis Fuel Cell

O2 H2 O2 H2

Platinumelectrode

e-e- e-

e-

Acid electrolyte Acid electrolyte

e-

e- e-

e-

Battery


연료전지 특징

친환경적저소음공해물질 배출 감소고효율 ( 에너지 절감 효과 )화석연료 의존 감소모듈 식 제작다양한 연료 선택 성

Source : Canadian Fuel Cell: Commercialization Roadmap, 2003

0

100

200

300

400

500

600

CO

2 E

mis

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(g/m

iles)

Upstream emissionVehicle operation

Direct

H 2 fr

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Reform

ulate

d gas

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Reform

ulate

d gas

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(201

0)

Internal combustionengine

Fuel cell engine

Reform

ulate

d gas

oline

(200

0)


연료전지 발전시스템 구성도

• 개질 기 (Reformer); 연료인 천연가스 , 메탄올 , 석탄 , 석유등을 수소가 많은 연료로 변환시키는 장치

• 단위전지 (Unit Cell) 기본적으로 전해질이 함유된 전해질 판 , 연료 극 (anode), 공기 극 (cathode), 이들을 분리하는 분리판 등으로 구성 이 단위전지 (Cell) 에서 전류를 인출하는 경우 통상 0.6∼0.8V 의 낮은 전압이 생성

• 스택 (Stack) 원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십 장 , 수백 장 직렬로 쌓아 올린 본체

• 전력변환기 (Inverter) 연료전지에서 나오는 직류전기 (DC) 를 우리가 사용하는 교류 (AC) 로 변환시키는 장치


연료 전지의 원료로서의 수소

• 연료 전지에서 산소는 공기 중에서 얻고 , 수소는 외부에서 공급한다 .

• 수소는 가벼워서 지구 표면에는 기체 상태로 존재하지 않기 때문에 물 , 화석연료 , 바이오 매스 등 수소 포함물질에서 추출


수소 추출 방법

• 수소를 포함하는 물질에서 수소를 추출하는 데는 에너지가 필요

• 경제성을 확보

• 현재는 화석연료에서 수소를 추출하는 방법이 경제적이지만 , 화석연료의 매장량이 한정되어 있기 때문에 장기적으로 생산단가가 상승할 전망

• 전기분해를 통한 수소추출은 현재는 생산단가가 높지만 장기적 보면 추출 기술수준이 발전하면서 생산단가가 하락할 것으로 예상 .


• 화학전지는 화학에너지를 전기화학적 반응에 의해 전기에너지로 변환하는 전지• 물리전지는 광전효과 , 즉 빛을 쐬면 전기가 발생하는 물리현상을 이용한 전지 로서 태양전지와 같은 것을 들 수 있다 .

화학전지• 1 차 전지 ; 자발적 산화 - 환원 반응이 전기 에너지를 형성 , 볼타 전지 , 건전지• 2 차 전지 ; 충전이 가능하며 자동차용 납 축 전지와 휴대폰전지 • 연료 전지 ; 충전이 필요 없고 연료만 계속 공급 된다면 지속적으로 발전이 가능한 전지로서 일부에서는 연료전지가 발전기에 가깝기 때문에 ‘전지’라는 용어 대신 ‘Fuel cell’ 을 사용하기도 한다 .

전지의 분류


전지 개발 목표

• 고 출력밀도 (power density); 단위 부피당 큰 출력을 내는 전지 • 고 에너지밀도 (energy density); 전지단위 부피당 에너지가 큰 전지• 최소부피• 최소중량• 짧은 충전 시간 (2 차 전지 )

연료전지 ; 고 출력 , 고 에너지밀도


연료 전지 활용 분야


연료 전지 계발 단계


Direct Methanol Fuel Cells, DMFC


RPG (Residential Power Generator)


Fuel Cell Vehicles


현재 국내 연료전지 산업 : 가정용

3 리터 하우스(퓨엘셀파워 , 대림산업 ,

한국바스프 , 건설예정 )

1.5kW 연료전지 시스템(GS퓨엘셀 , 2005)

1.5kW 연료전지 시스템(퓨엘셀파워 , 2004)


현재 국내 연료전지 산업 : 휴대용

연료전지 노트북(삼성 , 2004)

휴대용 연료전지(LG 화학 , 2005)

휴대용 연료전지(삼성 SDI, 2005) 개미산 (formic acid) 연료전지

(KIST, 2005)


현재 국내 연료전지 산업 : 발전용 ( 중대형 )

연료전지 - 태양전지 건물(포스코 , 조선대 , 2006)

100kW 연료전지 발전소( 한전 , 예정 )


현재 국내 연료전지 산업 : 자동차

투산 ( 현대 , 2004) 산타 페 ( 현대 , 2002)

GM- 대우 , 2005


전해질에 의한 연료 전지 분류

YSZ; Yttria Stabilized Zirconia


인산 형 연료전지 (PAFC)

Phosphoric acid (H3PO4) fuel cell;• 1967 년 미국에서 개발• 인산 (phosphoric acid) 를 전해질로 사용• 작동 온도 = 180-200˚C• 종합 효율 ( 전기 및 에너지 효율 ) = 80%• 분산 발전 형 ( 전기 및 열 공급 ), 폐 열 사용 가능• 연료 ; LNG, LPG, 메탄올 , 부생가스 , Bio gas• 사용 범위 ; 수십 -1MW• 수명 ; 40,000 시간• 용도 ; 학교 , 아파트 , 공공 건물 , hotel (RPG; Residential Power Generator)• 200 KW 급 시판 중 , MW 급에 대한 연구 진행

50 KW 급


인산 형 연료전지 (PAFC)

개질기 ; 개질 반응과 함께 CO 와 H2O 를 사용하여 CO2 와 H2 를 생성

개질 반응 ; CH4 + H2O -> CO + 3H2 ∆H = 206 kJ/hCO 변환 반응 ; CO + H2O -> CO2 + H2 ∆H = -41 kJ/h

전체 반응 ; CH4 + 2H2O -> CO2 + 4H2 ∆H = 165 kJ/h


인산 형 연료전지 (PAFC) 의 원리

• 음극 채널에서는 O2 가 양극 채널에서는 H2 ( 연료 ) 가 주입

• H2 가 촉매에 의하여 H+ 로 전환되어 100% Phosphoric Acid 가 있는 전해질 층을 통과하여 음극 채널 쪽에 있는 촉매에 도달

• O2 와 H+ 가 반응하여 H2O 가 생성되는 전기 화학반응을 통하여 전기가 생성 • 생성된 H2O 는 음극 채널을 통하여 배출된다 .

Anode ( 양극 )

Cathode ( 음극 )


인산 형 연료전지 (PAFC); 주의 사항• 연료전지 내에서 전기화학반응이 일어날 때 내부저항 , 분극 현상 등에 의하여 열이 발생 • 전해질인 Phosphoric Acid 는 200℃ 가 넘게 되면 pyrophosphoric Acid 로 점진 적으로 변화하게 되므로 단위전지의 온도가 200℃ 이하에서 구동

• 전지는 내구성을 손상시키지 않는 한 높은 온도에서 작동하는 것이 좋고 , 전지 내의 온도 분포는 균일할수록 좋다


용융탄산염 연료전지 (MCFC)

Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)

• 1960 년대 부 터 개발

• 전해질 ; 용융탄산염을 쓰는 연료전지 ( 탄산이온을 전도 )

• 작동 온도 = 650˚C ( 고온 )

• 양질의 폐 열을 얻을 수 있어 열 병합 발전으로 시스템의 효율을 증대

• 연료 ; 수소 이외에 CO 가 사용이 가능 , 석탄가스화 장치와 조합하여 대규모 발전시스템을 구성 가능

• 사용 범위 ; 수 백 KW 분산 형 발전 – 수 백MW 대형 발전

• 용도 ; 선박용 , 수송용 전원 ( 연료 소모량 , 소음 , 공해물질 저감 , 군함의 안정성 ) 분산 발전용 ( 송배전 선로 설치 없이 고 신뢰도의 전력 공급 ) 대형 발전용 ( 석탄가스화와 연계하여 에너지 효율 극대화 , 친 환경적 전력 공급 )


장점 ; 내부 개질 방법이 가능 ; 고온 운전 시 발생되는 열로 천연가스를 전지 내부 에서 직접 수소와 CO 로 개질 하여 연료로 이용 ( 공정을 단순화 )

단점 ; 구성 재료의 부식문제 전해질인 탄산염은 상온에서 기체이고 , 연료전지 작동온도에서는 액체 이므로 전지의 운전 중단 및 재 작동 시 열 사이클이 존재하게 되며 , 이때 발생되는 체적변화에도 성능변화가 없는 내구성 재료 및 전지 구성요소의 개발이 필요

용융탄산염 연료전지 (MCFC)


용융탄산염 연료전지 (MCFC) 의 구성

• MCFC 는 보통 단위전지를 직렬로 여러 개 쌓은 스택 형태로 이용

• 단위전지는 보통 분리판 , 전극 , 전해질을 포함한 매트릭스 , 채널 판 , 집전 판 등 으로 구성된다 .

Anode( 양극 ): H2 + CO32- H2O + CO2 +

2e- Cathode( 음극 ): CO2 + ½O2 + 2e- H2O + CO3

2-

___________________________________________________________________ H2 + ½O2 2H2O


용융탄산염 연료전지 (MCFC) 개발 현황

• MCFC; 용융탄산염이 생성되고 없어지는 산화 /환원 반응을 통해 전기를 생산

• MCFC 의 상용화 과제 출력 향상 단위 비용 당 전기 생산량 향상 ( 화력발전 , 원자력 발전등과 견줄 만큼 ) 일정시간까지의 일정량 전기 생산을 확보

MCFC 의 전극면적을 확대 단위전지 적 층수를 늘려 출력을 증가 각 구성요소들의 내구성 향상 . 현재 국내에서는 100KW 급 MCFC 스택 개발 ( 한국전력 , 대학 , 연구기관 )


직접 메탄올 연료전지 (DMFC)

Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)

개질 장치 (reformer) 없이 연료전극 (anode) 에 메탄올을 직접 흘려 산화시킴으로 전기를 발생시키는 간단하면서 이상적인 연료전지 시스템

수소를 사용하는 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC) 와 유사한 구조와 작동원리

연료로써 수소 대신 메탄올을 직접 anode 에 공급하여 사용

연료공급 체계가 단순하고 전체 장치가 간단하여 소형화가 가능 메탄올을 산화시켜야 하기 때문에 고가의 금속촉매 사용량이 증가

전극의 활성이 낮아서 전력 생산밀도가 작아지는 문제점


직접 메탄올 연료전지 (DMFC); 원리

연료전극 (anode) 에서는 연료인 메탄올이 산화되어 수소이온과 이산화탄소 발생 공기전극 (cathode) 에서는 공기중의 산소가 환원되어 물을 생성하여 전체 6개의 전자 발생을 통해 전기를 생성


• 연료전극 (anode); 메탄올과 물 의 전기 화학적 반응에 의해 메탄올이 산화 되어

이산화탄소 , 수소 이온 , 그리고 전자 가 생성

• anode 에서 생성된 수소 이온은 고분자 전해질 막을 통해 cathode 로 이동

• 공기 전극 (cathode); 산소와 수소이온 그리고 전자가 반응하여 물을 생성

• anode 에서 생성된 전자는 외부 회로를 통해 이동하면서 화학반응을 통해 얻어 진 자유에너지의 변화량을 전기 에너지로 전환

• 전체 반응식 ; 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성

• 반응결과 1.18 V 의 전위차를 발생 • 이산화탄소는 알카리 전해질과 반응하면 불용성 카보네이트를 형성하기 때문에 DMFC 에서는 반드시 산성 전해질 (acidic electrolyte) 을 사용

• 실제 시스템에서는 이러한 반응은 전극에 포함된 백금계 촉매에 의해 촉진된다 .

직접 메탄올 연료전지 (DMFC); 원리


직접 메탄올 연료전지 (DMFC); 구조

• 고분자 전해질 막과 전극 (anode, cathode), 스택을 구성하기 위한 분리판 (separator) 으로 구성

• 연료 전극 (anode) 과 공기 전극 (cathode) 는 탄소 섬유 종이와 같은 다공성의 전도체 위에 Pt/C, Pt-Ru/C 등의 촉매 층을 부착

• anode와 cathode의 두 전극을 고분자 전해질 막에 hot-pressing 방법으로 부착시킨 것을 막 -전극접합체 (membrane-electrode assembly, MEA) 라고 하는데 , 이러한 MEA의 조성과 성능이 DMFC의 핵심


• 연료전지 스택은 전기화학반응이 일어나는 단위전지 (single cell) 를 수십 , 수백 개씩 적층하여 구성하는데 , 단위전지나 스택은 구성요소간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝판 (end plate) 을 tie rod 나 공기압으로 압착한다 .

• 양쪽 끝판에는 반응기체의 출구 및 입구 , 냉각수 순환구 , electric power output을 위한 단자가 설치되어 있다 .

직접 메탄올 연료전지 (DMFC); 구조


직접 메탄올 연료전지 (DMFC); 전극 구조

확산 층 촉매 층

촉매 층 (catalyst layer) 과 확산 층 (diffusion layer) 으로 구성

확산 층 (diffusion layer);• 반응물의 공급과 배출• 촉매 층에서 생성된 전자 집전• 탄소 소재의 탄소 종이 및 탄소 천 사용 (반응물 의 공급 배출 원할 및 전기 전도도 함유 )

촉매 층의 촉매연료전극 촉매 ; 메탄올의 산화에 의해 생성되는 CO2 에 의한 촉매의 피독을 막기 위해 Pt-Ru 촉매 사용공기 전극 촉매 ; Pt 촉매 사용 ( 탄소 입자 표면에 담지 시킨 Pt/C 형태의 담지 촉매 )

휴대용 전원공급원으로 사용 하기 위한 상온용 직접 메탄올형 연료전지의 경우 촉매의 활성을 높이기 위하여 다량의 촉매를 사용하기 때문에 주로 Pt-Ru black 또는 Pt black 을 사용


직접 메탄올 연료전지 (DMFC); 전해질• 직접 메탄올 연료전지에 사용되는 고분자 전해질은 수소를 연료로 사용 하는 고분자 전해질 (PEMFC) 연료전지와 동일한 H+ 를 전달하는 수소이온 교환막을 사용

• 고분자 전해질 막은 수소이온 전도도가 높고 반응물 및 생성물의 투과가 낮아야 하며 기계적 및 화학적 안정성을 가져야 한다 .

• 고분자 전해질 막은 H+ 에 전도도를 갖기 위해 Sulfonic Acid 기를 포함하고 있는 고분자 구조로 이루어져 있다 .

• 초기 고분자 전해질 막은 GE 사의 Poly-styrene 계의 막을 사용하였으나 수명이 짧고 출력밀도가 매우 낮았다 .

• 1986 년 Dupont 사에서 개발된 perfluorinated Sulfonic Acid 계통의 Nafion 막이 개발됨에 고분자 전해질 형 및 직접 메탄올 연료전지의 개발이 활성화


직접 메탄올 연료전지 (DMFC); 전해질

• Sulfonic Acid 기인 -SO3H 는 물과 같은 용매를 통해 수화되고 이때 이동성이 있는 H+ 와 비 이동성인 -SO3

- 로 분리

• 원하는 양이온 종만을 선택적으로 투과시키면서 뛰어난 전도성

• Nafion 이 외부 전해질과 접하게 되면 고분자 격자 안의 고정된 SO3- 음이온

그룹으로 인해 음이온은 전기적인 반발력으로 고분자 막으로 침투하지 못하는 대신 양이온은 고분자 막 안으로 흡수하게 되고 , 고분자 막 안에서 이러한 양이온의 이동속도가 Nafion 전해질의 전도도를 결정

Nafion 막의 구조


Separator ( 분리판 )

• 바이폴라 플레이트 (Bipolar Plate) or 모노폴라 플레이트 (Mopolar Plate)

• 한 쪽 면에는 연료 전극 가스채널이 있고 , 다른 쪽 면에는 공기 전극 가스채널이 새겨져 있는 전기 전도성 판으로서 막 - 전극접합체 (MEA, membrane Electrode Assembly) 를 지지

• 연료 전극과 공기 전극에 각각 연료와 산화제를 공급해 주는 통로 역할

직접 메탄올 연료전지 (DMFC); 분리판


직접 메탄올 연료전지 (DMFC); 분리판• 연료 전극에서 생성된 전자를 전달하는 전류 집전체 역할• 전지 운전 중에 생긴 물을 제거해 주는 통로 역할

• 특성 전기 전도성이 좋고 화학적으로 안정하며 가볍고 내부식성 기계적 강도와 가공성 얇고 가격이 저렴 대량생산에 용이

• 분리 판의 재질 ; 흑연을 사용하나 최근에는 금속 분리 판에 대한 연구 흑연은 내부식성이 좋고 가벼워서 현재 가장 많이 사용 가공이 어렵고 취성이 있어 쉽게 깨질 위험이 있으며 비교적 값이 비싸다

금속은 가공성이 좋고 높은 전기 전도도를 가지며 , 기계적 강도가 우수하고 가격이 저렴하지만 흑연에 비해 내부식성이 좋지 않고 무거운 단점


직접 메탄올 연료전지 (DMFC); 분리판Bipolar Plate

Bipolar plate

MEA

Parallel Serpentine(꾸불꾸불 한 )

Parallel serpentine Interdigitated(깍지 끼어진 )

Flow Field Patterns

채널의 설계 ( 분리판 제작 시 특히 중요하게 고려 )공기 전극에서의 산소 환원반응으로 인하여 생기는 물이 유로상에 축적되어 반응기체가 흐르지 않는 정체 점이 형성되면 전극의 효율성이 떨어져 전지성능의 저하 원인이 된다 .


직접 메탄올 연료전지 (DMFC); 개발 현황

• DMFC 시스템은 높은 출력 밀도를 요구하는 수백 W~ 수백 W 급 이상의 이동용 및 정치형 시스템과 비교적 낮은 출력밀도이나 휴대가 가능한 수 W-수십W 급의 배터리 대체용 시스템으로 개발하고 있다 .

• DMFC 는 1960 년대와 1970 년대에 Shell 과 Exxon-Alsthom 사가 각각 황산과 알칼리 전해질을 이용하여 개발

• 느린 메탄을 산화반응속도와 연료인 메탄올의 투과 (Crossover) 문제를 해결하지 못하여 스택 성능 향상이 어려워 큰 진전을 보지 못하였다 .

• 1990 년대 초부터 고체 고분자 전해질 막 (Polymer Electrolyte Membrane, PEM) 을 DMFC 용 전해질로 사용하면서 DMFC 의 개발은 새로운 전환점

• PEM 을 이용하면 액체 전해질을 사용하던 시스템에 비하여 운전온도를 상승시킬 수 있기 때문에 메탄올의 산화 시 생성되는 부 반응에 의한 백금 촉매의 활성저하를 방지하고 메탄올의 산화반응속도가 증가되며 , 메탄올의 투과 (Crossover) 가 적어서 성능 향상이 가능


직접 메탄올 연료전지 (DMFC); 개발 현황• 휴대용 전자기기에 사용하기 위한 DMFC 의 시제품이 2000 년대에 발표

• 휴대용 연료전지 시스템으로는 메탄올의 고 에너지 밀도와 저장 용이성 및 전체 시스템의 간편함 등으로 인하여 액체인 메탄올을 연료로 사용하는 직접메탄을 연료전지가 가장 활발히 개발

• 연료전지 시스템 적용제한된 공간에 대한 시스템 설치 가능성과 시스템의 중량을 고려 주행 거리를 고려할 때는 연료 시스템 , 발전 시스템 , 부품 및 제어 시스템을 포함한 전체 시스템의 중량을 고려

DMFC system 이 PEMFC system 보다 경량 (1KW 혹은 그 이하 출력 ) -> 소형 전자 기기에 적합

Toshiba-MP3Samsung - notebook


DMFC 시스템 ; 액체 연료를 사용 -> 시스템 부피 , 중량뿐만 아니라 안정성측면에서 소형 모터사이클용으로 많은 장점 •메탄올은 가연성 물질이지만 증류수로 적정 농도로 희석하여 사용하면 가솔린이나 경유보다 사용이 더 용이 •공급을 위한 인프라 구조 구축 측면에서도 수소보다 유리

•캐나다의 Ballard 사가 3kW 급 1 인용 승용차를 시운전•독일의 Daimler-Chrysler 사에서도 유사한 기종을 개발하여 시운전•독일의 Research Centre Juelich 연구소가 1.3kW 급 DMFC 를 장착한 Scooter 개발 •미국의 Vectrix 사는 2003 년 DMFC/Battery 하이브리드 시제품 스쿠터 개발

직접 메탄올 연료전지 ; 소형 모터 싸이클

FC06 motorcycle

Vectrix 의 DMFC Scooter


직접 메탄올 연료전지 ; 휴대용 DMFC 시스템

• 독일 Smart Fuel Cell; SFC A5O 상용화 ( 캠핑 카 용 배터리 충전기 ) 출력 ; 50W, 충전용량 ; 1200wh/day 5, 10 L 메탄을 연료 통을 사용 , 연료 소비량 ; 1.35L/kwh, 시스템 중량 ; 8kg, 크기 ; 38×15×26cm

SFCC2O- CP 상용화 ; 20W 정격 출력 ; 20W(최대 출력 36W), 중량 ; 2kg, 크기 ; 17×16 x 8.5cm. 연료 카트리지 (M5OO); 500 mL, 440wh 의 발전이 가능

• Marine Fuel Cell 시스템 AHD-100 ( 요트에 사용 하기 적합 ) 충전용량 ; 1200Wh/day, 출력 ; 48W (4A,12V), 시스템 중량 ; 7kg, 크기 ; 38×15×26cm


직접 메탄올 연료전지 ; 소형 전자 기기

• 미국의 Manhattan Scientifics 사 , Polyfuel 등이 개발을 시작 2W 급 휴대전화기용 DMFC 시작품과 메탄을 크로스 오버를 50% 이상 줄이는 새로운 멤브레인 개발과 고성능의 MEA 를 시판

• Motorola 사는 휴대전화기용 충전기와 PDA 용 전원을 개발

• MTI; 2W 급 휴대 전화기용 전원 개발

• 독일 Smart Fuel Cell; 레저용 , 노트북 용 , 국방용 (20W – 50W)

Motorola 휴대전화기용 충전기 MTI; 2W 급 휴대 전화기용 Smart Fuel Cell;노트북 용


직접 메탄올 연료전지 ; 휴대 전자 제품 용

•일본의 NEC카본 나노튜브를 이용한 휴대기기용 DMFC 를 개발 종래의 연료전지에 비해 출력이 약 20% 정도 향상노트북 시장의 선점을 기획

•Sony전해질로 탄소계 재료인 플러렌을 사용하여 소형 DMFC 의 성능향상을 시도

•도시바 소형 DMFC 를 이용하여 IT 용 전원을 개발하여 시제품22×56×4.5mm 크기 , 중량 8.5g 의 세계 최소형 DMFC출력 ; 100mW, 2cc 의 연료로 MP3 플레이어를 20 시간 작동

•Sanyo 2005 년대 양산을 목적으로 휴대폰용 DMFC 개발

•히타치 IW 급 휴대전화용 외장형2W 급 휴대정보기기 (PDA) 내장형l0w 급 노트북 형 외장형


직접 메탄올 연료전지 ; 국내 개발• 삼성종합기술원 (2004) 노트북 PC 용 DMFC 시스템최고의 에너지 밀도가 200Wh/ℓ ( 도시바 , NEC 100~130Wh/ℓ 수준 )200cc 의 연료로 노트북 컴퓨터를 15 시간 구동최대출력 ; 50W( 평균출력 20W)크기 ; 23cm X 8.2 ㎝ X5.3㎝로 초 슬림 디자인 촉매 사용량을 50% 감소 , 새로운 나노 복합체 멤브레인 사용

• LG 화학 (2005) 노트북용 PC 용 DMFC 시스템출력 ; 25W, 중량 ; 1Kg200cc 의 연료로 노트북 컴퓨터를 10 시간 구동

• KIER, LG 화학 , LG 전자 , KIST 등이 공동으로 개발 진공청소기 용 200W 급


• 삼성 SDI (2006) 초소형 고출력 휴대용

메탄올 연료로 모바일 제품의 배터리를 충전하는 휴대용 연료전지 시스템 충전기에 메탄올 카트리지만 교체해주면 외부전원 연결 없이 모바일 기기를 충전해 사용할 수 있는 무선충전방식 (Wireless Charging)

부피 ;150cc, 무게 ;180g 휴대 편의성 향상 , 출력 ; 2W 급 충전소요 시간 ; 5 분의 1 로 감소

직접 메탄올 연료전지 ; 국내 개발


고분자 전해질 연료전지 (PEMFC)

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC

• 작동온도가 낮으면서도 좋은 효율

• 다른 연료전지에 비해 부피를 소형화

• 연료 ; 천연가스나 메탄올 등의 개질을 통한 수소를 연료

• 연료의 경제적 , 사회 , 정치적인 안정적 공급 면에서 밝은 전망

• 환경적 규제로 인한 새로운 청정에너지원

• PEMFC 작동은 90℃ 이하의 비교적 낮은 온도

• 전극재료 ; 백금 계

• 전해질은 수소이온 교환 고분자막

• PEMFC 의 상업화는 단위전지 차원에서 보면 얼마나 낮은 가격에 높은 전류밀도를 얻으면서 장시간 안정적으로 작동이 가능한가에 있다 .


고분자 전해질 연료전지 (PEMFC); 원리

• 연료 전극 (anode); 공급된 수소 (H2) 는 전극의 백금 촉매 층에서 활성화되어 2 개의 H+ 이온과 2e- 전자로 분리

• 이온화된 수소는 이온 전도성 고분자 전해질 막을 통과하여 공기 전극(cathode) 으로 이동

• 고분자 전해질막을 통과하지 못하는 전자는 외부회로를 통과하면서 전기를 발생

• 공기전극 (cathode); 외부에서 공급된 공기중의 산소 (O2) 가 연료 전극에서 나온 수소이온 (2H+) 및 전자 (2e-) 와 반응하여 순수한 물이 생성되며 공기 전극 쪽에서 외부로 방출된다 .


Anode: H2 2H+ + 2e- Eo = 0.0V

Cathode: ½O2 + 2H+ + 2e- H2O Eo = 1.229V

_______________________________________________________________


고분자 전해질 연료전지 (PEMFC); 원리


membrane-electrode assembly(MEA)

고분자 전해질 연료전지 (PEMFC); 구조

• 고분자 전해질 (polymer membrane), 전극 (electrode) ->MEA

• 탄소 천 (carbon cloth) 또는 탄소종이 (carbon paper) -> 전극의 지지

• 탄소판 (graphite plate) 또는 금속판 (metal plate). 가스 켓(gasket) -> 가스나 공기의 통로 제공하는 전도성 물질로서 전해질과 전극을 지지


고분자 전해질 연료전지 (PEMFC); 구조

Gas diffusion layer Membrane/electrode assembly (MEA)

ElectrodePathway for gasaccess to electrode

Polymerelectrolytemembrane

Catalyst

10nm

Carbon blackPlatinum

Pt on carbon black

Electrolyte

Catalyst

Bipolar plate

Water vapor(and excess air)

Oxygen(air)

Hydrogen

CF2CF2 CF2CFx

OCF2CF

y

CF3

O CF2 SO3Hnm


고분자 전해질 연료전지 (PEMFC); stack

단위전지 (single cell)

연료전지 스택은 전기화학반응이 일어나는 단위전지 (single cell) 를 수십 , 수백 개씩 적층하여 구성하는데 , 단위전지나 스택은 구성요소간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝판 (end plate) 을 tie rod 나 공기압으로 압착한다 .


연료전지의 성능

전극 전위에 대한 농도 ( 혹은 부분 압력 ) 효과E0 로 표시되는 표준 전극 전위들은 표준 상태 조건에서 적용된다 . 이 표준 상태 조건들은 이온들에 대해서는 1 M 용액이고 , 기체들에 대해서는 1 기압이며 , 그리고 25 °C 표준 상태에 있는 모든 액체와 고체들이다

Nernst 식 (Nernst equation)표준 상태가 아닌 농도들과 분압들에서 전극 전위들과 전지 전위들을 계산 하는데 이용된다 .


Nernst 식 (Nernst equation)

반응 지수 (reaction quotient) Q; 생성물들의 농도들 혹은 압력들에 대한 반응물들의 농도들 혹은 압력들의 비

표준 환원 전위에 대한 반쪽 - 반응

“Ox” 는 산화된 화학 종“Red” 는 환원된 화학 종 x 와 y 는 균형 방정식 내의 계수


어떠한 환원 반쪽 - 전지 ( 환원 반쪽 - 반응 ) 에 대한 Nernst 식


금속 아연과 아연 이온을 포함하는 환원 반쪽 - 반응

Nernst 식




E0cell, ∆G0, K 와의 관계

• 반응에 대한 표준 자유 에너지 변화 량 ; ∆G0rxn

• ∆G0 는 표준 조건에 존재하는 초기의 모든 반응물들이 표준 조건의 모든 생성물들로 완전히 전환될 때 ( 즉 , 표준 반응 ) 수반되는 자유 에너지 변화 량

• ∆Grxn; 다른 농도나 압력에 대한 자유 에너지 변화 량 ( 위 첨자 0 가 없다 ).

• R ; 기체 상수 , T; 절대 온도 , Q; 반응 지수• 계가 평형에 있을 때 , ∆Grxn = 0 이고 , Q = K• 반응 지수가 생성물과 반응물들의 비 평형 농도 ( 또는 부분 압력 ) 로 표시• 반응이 일어나면 , ∆Grxn = 0 일 때까지 혼합물의 자유 에너지와 농도들이 변하며 , 반응물과 생성물들의 농도들은 평형 상수를 충족시킨다 .

Gibbs 자유 에너지가 열역학 평형 상수 (K) 와 ∆G0 = - RT ln K 관계


산화 - 환원 반응에 ( 즉 , 반응물들과 생성물들이 표준 상태에 있는 반응 ) 있어서 , ∆G0 와 표준 전지전위 E0

cell 사이의 관계

E0cell, ∆G0, K 와의 관계


연료 전지 : Thermodynamic Anode: H2 2H+ + 2e- Eo = 0.0V

Cathode: ½O2 + 2H+ + 2e- H2O Eo = 1.229V

_______________________________________________________________


Gibbs free energy, ∆G0 = ∆GH2O - ∆GH2 - ½∆GO2

∆Grxn = -nFEcell

QE = nFE : Electric work done moving charge Q at the voltage of E

Change of Gibbs free energy = - ∆G

PH2O

∆Grxn = ∆Gorxn + RT ln [──────]

PH2·(PO2)½

∆Grxn = -nFEcell 이므로

수소 산소 반응에서 전위의 힘은 깁스 (Gibbs) 자유에너지의 변화로 표현


Reversible open circuit voltage

-∆Gorxn RT PH2O

Ecell = ── - ── ln [─────] 2F 2F PH2·(PO2)½

RT PH2O

Ecell = E0cell - ── ln[─────]

2F PH2·(PO2)½ (Nernst’s Equation)

PH2O-2FEcell = ∆Go

rxn - RT ln [───── ] PH2·(PO2)½

Theoretical open circuit voltage (OCV)

∆G0rxn

E0cell = - ─── = 1.229V (at 25oC), (∆GH2O = -237.2kJmol-1 at 25oC)

2F



• H2/O2 연료전지의 이상적인 전위 (Eo); 물의 생산과 함께 1.229 V

• 수소 산소 반응에서 전위의 힘은 깁스 (Gibbs) 자유에너지의 변화로 표현

• 온도가 내려감에 따라 깁스 자유에너지가 상승하고 이상적인 전위는 깁스 자유에너지와 직접 연관되어 변화

• 실제적인 전위는 비 가역에 의한 손실에 의해 평형전위보다 감소

• 손실 ; 분극 , 과전압 , 과 전위로 불리움

• 손실의원인 ; 활성화 분극 (act ), 저항 분극 (ohm ), 농도 분극 (conc )


저항 분극• 전류에 따라 직접적으로 변화하며 셀의 저항이 근본적으로 일정하기 때문에 전체적인 전류 영역에서 증가

• 전극의 재질 , 여러 내부 연결선으로 야기되는 전자 흐름에 대한 선형 저항

• 전해질로 야기되는 이온 흐름에 대한 저항


활성화 분극 ; • 저 전류 영역에서 지배적

• 화학 반응이 일어나는 전극의 표면에서 발생

• 이 점에서 전류의 이온이 이동하기 위해서는 전기적인 장벽이 극복되어야 한다

• 활성화 손실은 전류가 증가함에 따라 약간 증가

농도 손실• 가스 이동에 의한 손실

• 전류 영역

• 연료가 사용 됨에 따라 전극의 표면에 반응물의 농도 변화로 인한 손실


활성화 분극Region of Activation Polarization (reaction rate loss) • 전극 표면의 전기화학적인 반응 율이

느린 전극 운동의 지배를 받는 곳에 존재

• 활성화 분극은 전기화학적 반응 율에 직접적으로 연관

• 반응물에서 활성화 장애물이 극복되어야 한다는 점에서 전기화학적 반응과 화학반응은 매우 비슷

활성화 분극 ( Tar,); Tafel 방정식의 일반적인 형태

α; 전극에서 반응의 전자 이동상수 i0; 교환전류 밀도


저항 분극

Region of Ohimic Polarization(Resistance loss)

• 전해질에서 이온의 이동 저항과 전극 물질에서 전자의 이동 저항

• 전해질은 통한 지배적인 저항 분극은 전극의 분해를 줄이고 전해질의 전도도를 향상시킴으로써 감소시킬 수

전해질과 연료전지 전극은 모두 오옴의 법칙을 따른다 -> 저항 손실의 방정식

i; 셀을 통한 전류의 흐름R; 은 전기적 , 이온적 , 접촉저항 등 셀 전체 저항


농도 분극

전기화학 반응에 의해 전극에서 반응물질이 소모됨에 따라 초기 농도를 유지하는 능력의 부족으로 인한 전위의 손실

원인 ;• 전극 다공 층에서 가스의 느린 확산• 전해질에서 생성물과 반응물의 용해와 분리 • 전해질과 전기화학 반응 장소 사이의 생성물과 반응물 확산의 입 , 출입• 실제적인 전류밀도 영역에서 반응물과 생성물의 느린 물질 이동

Region of Concentration Polarization Polarization(Gas Transport loss)

iL; 한계전류

전극 구조의 향상 , 좋은 전기촉매 , 전도성이 좋은 전해질 , 얇은 셀 구성 품 등 연료전지의 설계 조건을 개선 -> 분극 최소화


연료전지 성능변수• 연료전지의 성능 작동 변수 ; 온도 , 압력 , 가스 조성 , 반응물 이용 율 , 전류밀도 다른 요인 ; 오염 , 셀 수명에 의한 전압 손실의 크기

• 작동 온도의 상승 - 연료전지의 성능 향상반응 율의 증가물질 전달의 증가전해질의 이온전도도 증가에 의한 셀 저항을 감소더저온 연료전지에서 온도가 증가함에 따라 전기 촉매에서 CO 에 대한 내성이 증가

• 작동 온도의 상승 - 연료전지의 성능 저해 부식 전극의 손상전기촉매의 소멸과 재결정증발에 의한 전해질의 손실


• 작동 압력의 증가 - 연료전지의 성능 향상반응물의 분압 증가가스의 융해성 증가물질 전달의 증가증발에 의한 전해질의감소

연료전지 성능변수

• 가스의 조성 연료전지의 성능에 주요한 영향연료와 산화제가 고농도일 때 고전압을 형성

• 이용 율 (U);연료전지에 공급되는 전체적인 연료나 산화제에 대한 전기화학 반응물의 분율

=Uf = H2 in

H2 in

H2 in - H2 out H2 consumed


연료전지 성능변수• 물 조절 ; 스택의 제작에 중요한 요소고분자 전해질막 연료전지 성능과 효율에 영향고분자 전해질 막의 이온 전도도는 수분에 의해 영향을 받음

• 이온 막 내의 물의 함량연료 전극에서 공기 전극으로 H+ 가 이동함에 따라 수반되는 물의 이동 (water drag) 과 음극에서 생성된 물의 농도 차에 의한 양극 방향의 확산 (back diffusion)

• 물의 이동전류 밀도에 비례하여 증가양극 방향의 확산은 거의 일정 • 높은 전류 밀도에서는 연료 전극 막이 건조 낮은 전류 밀도에서는 공기 전극이 건조-> 연료전지에서는 반응 가스의 공급 시 가습기를 통하여 수분을 공급


• 가습 된 공기의 온도가 스택의 온도에 비해 너무 낮으면 스택에서 온도가 상승하면서 스택에서 발생된 수분을 흡수하게 되므로 수분부족으로 캐소드 전극은 건조

• 가습 된 공기의 온도가 스택의 온도에 비해 높으면 온도의 하락으로 수분의 포화증기압 이상의 수분을 함유하게 되어 응결현상이 발생하여 전극에서 수분 과잉 현상

• 공급 가스의 압력은 높이면 적은 양의 수분을 공급하여 전극에서의 물 조절이 가능 -> 공급가스 중의 산소 농도를 향상 -> 농도 분극 감소

연료전지 성능변수


연료전지의 효율연료전지의 반응물이 수소와 공기중의 산소인 경우 에너지 균형• 설정된 입구 출구 온도 조건에서 셀 밖의 비 반응 가스 구성의 엔탈피 차이• 반응물의 엔탈피 변화와 셀에 존재하는 생성물의 엔탈피 변화 , 생성물을 생성할 때의 생성열을 포함한 반응된 산소와 수소의 엔탈피 변화• 생산된 직류 출력• 셀로부터 열손실

에너지 변환장치의 열효율저장된 화학적 에너지의 변화에 대한 연료가 산화제와 함께 반응할 때 나오는 유용한 에너지의 생산량으로 정의

이상적인 전기화학적 변환기어떤 변환 온도에서 깁스 (Gibbs) 자유에너지 변화 = 유용한 전기에너지의 생산


연료 전지의 효율

이상적 수소 연료 전지의 효율

∆Hf = -285.8 kJ/mol (HHV, higher heating value)

H2(g) + 1/2O2(g) H2O (liquid) 반응에서

∆G = ∆GH2O – (∆GH2 + ∆G 1/2O2) = -237.2 kJ/mol

표준상태에서 순수한 수소 /산소의 가역 작용에서 열 효율 = -285.8 kJ/mol / -237.2 kJ/mol = 0.83 즉 83%


실제 연료 전지의 효율

• 이상 전위에 대한 실제 작동 전압의 비율로 표시 • 실제적인 셀의 전위는 셀의 분극과 IR 손실로 인해 이상적인 셀 전압보다 낮• 연료전지의 실제적인 효율은 실제적인 셀의 효율로 표현

25℃, 1 기압에서 순수 수소와 산소를 사용한 이상적인 가역 전위는 1.229 V실제 작동 전압이 VCell 일 때 수소의 고유 발열량을 기초로 한 열효율

= 0.83 X Vcell

Videal = 0.83 X

Vcell

1.229 v= 0.675 x Vcell


고분자 전해질 연료전지 (PEMFC); 응용


왜 연료전지 전기자동차인가 ?

공해물질 배출 감소 고효율 화석연료 의존 감소 모듈식 제작 다양한 연료 선택성 저소음

Source : Canadian Fuel Cell: Commercialization Roadmap, 2003

0

100

200

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400

500

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Upstream emissionVehicle operation

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Internal combustionengine

Fuel cell engine


Fuel Cell System in Vehicle

Fuel cell systemcontroller

Hydrogenstorage

Pressureregulator

Air intakefilter

Aircompressor

Hydrogenrecirculation

FuelCellstack

Coolantpump

Thermalcontrol valve

Carradiator

TractionMotorinverter

PDU

Coolant

H2

Air

Air+ Water

Vehicle controlunit

12Vbattery

DC power

DC 12V

Hydrogenproduction

수소 생산 /저장

BOP (Balance of Plant)( 스택을 제외한 주변장치 )

연료전지 (스택 )

Fuel Cell System

자동차 운전 장치


Fuel Cell System – Direct Hydrogen

수분 제거 장치


연료 전지 자동차

Daimler-Benz Toyoda

Honda Daimler-Benz


Thank you!!!!

Wish Happy and best New year

Documents

신재생에너지 개론 ( 연료전지 )