전지의 종류 및 개요 III 연료전지 - KOCWcontents.kocw.net/KOCW/document/2014/cu/hanyoonsoo/3.pdf · 2016-09-09 · - 연료개질장치(reformer): 수소를 함유한 탄화수소계

전지의 종류 및 개요 III – 연료전지

3주차

대구가톨릭대학교 에너지신소재공학과

한윤수

■ 과목명: 연료전지이론

목 차

1. 전지의 종류

2. 연료전지 개요

1. 전지의 종류

연료전지이론 4

1. 전지의 종류 개요

■ 전지의 분류

전지

알카라인 전지

망간건전지

수은전지



연료전지

고분자전해질 연료전지

수소 연료

직접 메탄올연료전지 메탄올 연료

고체산화물 연료전지

인산형 연료전지

용융탄산염 연료전지

알카라인형 연료전지

■ 연료전지 종류

Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC)

Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)

Alkaline Fuel Cell (AFC)

Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)

Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

연료전지의 종류 2. 연료전지 개요


■ 연료전지 종류별 개발역사

History 2. 연료전지 개요


○ 연료전지란? - 수소와 산소가 갖는 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전기화학 장치 - 연료가스(수소 혹은 수소가 농후한 연료)와 공기 중의 산소를 공급하여 전기와 열을 만들어 냄

2. 연료전지 개요 연료전지 개요

■ 연료전지(Fuel Cell) 개요

Chemical Energy → Electrical Energy

H2O

Fuel Cell Heat

Electricity Fuel

Air


○ 연료전지의 특징 - 생성물이 물이기 때문에 환경오염이 적음 - 지구온난화를 유발하는 온실가스 양을 감소 - 광화학 스모그[smoke(연기)+fog(안개)= smog]와 건강문제를 야기하는 공해물질을 배출하지 않음 - 연소방식의 기술보다 더 효율적 - 연료로 사용되는 수소는 국내에서 이용 가능한 에너지원인 화석연료, 재생에너지, 원자력 등의 다양한 에너지원으로부터 생산할 수 있기 때문에, 외국에서 수입하는 원유의 의존성을 감소

연료전지 개요

■ 연료전지(Fuel Cell) 개요

연료전지의 발명자 William Robert Grove 1839년 William Robert Grove에 의해 제작된 연료전지



Mechanism

■ 연료전지 작동원리

연료전지의 작동원리

Anode : H2 → 2H + + 2e-

Cathode : 1/2O2 + 2H+ +2e- → H2O

Overall : H2 +1/2O2 → H2O + 전류 + 열

• Hydrogen As a Fuel CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2 or H2O → H2 +1/2O2

※ 출처: “수소연료전지”, School of Mechanical Engineering, Pusan National University

산화전극 (anode)

환원전극 (cathode) (& 매트릭스)

※ 연료전지 5가지 구성요소 - 산화전극, 환원전극, 전해질, 매트릭스 및 외부회로



Mechanism

■ 물의 전기분해와 연료전지



○ 연료전지 시스템의 구성 요소별 역할 - 연료개질장치(reformer): 수소를 함유한 탄화수소계 연료 (LPG, LNG, 메탄, 석탄화가스, 메탄올 등)로부터 연료전지가 필요로 하는 수소가 농후한 가스(hydrogen rich gas)로 변환 - 연료전지 본체(fuel cell stack): 연료개질장치를 통과하여 유입하는 수소와 공기 중의 산소가 반응하여 직류전기와 물, 부산물인 열을 발생 - 전력변환장치(inverter): 연료전지에서 나오는 직류를 교류로 변환 - 열 회수시스템(heat recovery system): 연료전지 본체에서 나오는 폐열을 회수하여 연료 개질장치를 예열하거나 열병합발전 시스템에 열을 공급

INVERTERHYDROGEN

RICH GASFUEL INPUT

HEATRECOVERY

FUEL PROCESSING PREHEATING HEAT FOR COGENERATION

FUELCELL

STACKHEAT

REFORMER

OXYGEN (AIR)

AC POWEROUTPUT

DC POWEROUTPUT

WATER

INVERTERHYDROGEN

RICH GASFUEL INPUT

HEATRECOVERY

FUEL PROCESSING PREHEATING HEAT FOR COGENERATION

FUELCELL

STACKHEAT

REFORMER

OXYGEN (AIR)

AC POWEROUTPUT

DC POWEROUTPUT

WATER

연료전지 시스템의 주요 부품

■ 연료전지 시스템 구성 요소

연료개질장치: 탄화수소 개질에 의해 수소를 제공하는 장치 CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2

연료전지 본체: 전기화학반응에 의해 직류전류를 생성시키는 장치

전력변환장치(인버트): 생성된 직류를 교류로 변환시키는 장치

열회수 시스템: 연료전지 작동과정에서 생성된 열을 회수하여 재활용하기 위한 장치



• 수소와의 전기화학반응에 필요한 산소를 공급해주는 시스템

• 운전압력과 공급 가능한 공기량을 결정하여 연료전지의 성능과 운전조건 등을 결정

• 공기공급기의 윤활유가 연료전지를 오염시킬 수 있으므로 공기베어링을 사용

※ 공기베어링: 액체대신에 공기를 윤활제로 사용하는 베어링

• 주요 구성 요소 : 에어컴프레서, 습도조절시스템, 압력조절기 등

<자동차용 연료전지의 공기 공급 장치>

■ 연료전지의 공기 공급 시스템




○ 순수한 수소 연료 - 순수한 수소가스를 연료로 사용할 경우 압축가스 상태로 차량에 탑재 되어 저장 - 수소가스는 에너지 밀도가 낮기 때문에 가솔린과 같은 기존 연료에 상당하는 출력을 생성할 수 있을 정도의 충분한 저장이 어렵다. - 연료전지 자동차가 가솔린 자동차와 경쟁할 수 있을 정도의 수소저장 기술개발이 요구됨 (고압의 수소저장 탱크 개발연구 등이 진행) - 또한, 수소가스 충전소 설치에 따른 비용 문제 등이 해결해야 할 과제 ○ 수소가 농후한 연료 : 메탄올, 천연가스, 가솔린, 석탄화가스 - 차량에 탑재된 개질기 (reformer)를 통과시켜, 연료로부터 수소를 추출하여 사용 - 차량에 탑재된 개질기를 사용할 때 장점 순수한 수소가스 보다 높은 에너지 밀도를 갖는 메탄올, 천연가스, 가솔린 등의 연료 사용이 가능 현재의 인프라를 사용하여 기존의 연료공급 시스템을 사용할 수 있음 (예로, 차량용 액체 펌프와 고정용 천연가스 공급관) - 수소가 농후한 연료를 개질 할 때 단점 차량탑재 개질기는 연료전지 시스템에 복잡성, 비용, 유지, 보수의 필요를 증가시킴 개질기로부터 발생된 일산화탄소는 연료전지의 양극판에 도달하면, 셀의 성능이 점점 저하됨 일반적인 연소과정 보다는 작은 양이지만 개질기로부터 온실가스인 이산화탄소와 공해물질 생성 - 고온 연료전지 시스템은 차량탑재 개질기가 필요하지 않음 연료전지 그 자체 내에서 연료를 개질할 수 있음 (이러한 경우 내부개질이라 함) 차량탑재 개질기와 같이 이산화탄소를 배출하며, 불순물은 셀의 효율을 저하

■ 연료전지용 연료



• 현재 연료전지에 사용되는 수소의 생산은 화석 연료로부터 개질하여 사용되고 있음 • 화석 연료를 개질하는 방법은 실제 CO2 저감효과가 미비하므로 반드시 향후 원자력, 대체에너지에 의한 수소 생산 방식의 개발이 필수적임 • 고온 수증기 개질 방식과 부분 산화 개질 방식을 혼합한 형태의 시스템 개발이 활발히 진행 중

제조방법 분류 핵심 기술 및 특징

화석연료에 의한 수소 제조

• 수증기 개질

• 천연가스 열분해

• 부분산화

• 석탄가스화

핵심 기술 : 반응기 설계, 고순도 수소 분리

카본블랙 제조 및 회수

특징 : 다른 제조기술의 전단계 기술

화석연료의 고갈로 향후 사장될 것임

물로부터의

수소생산

• 직접 전기분해

• 직접 열분해

• 열화학 공정

핵심 기술 : 전기분해 셀 제작, 셀 적층, 시스템 구성

특징 : 대량생산 용이, 전기에너지의 비용이 높음

대체에너지를 사용함으로써 CO2 저감

태양에너지를

이용한 수소생산

• 광분해

• 광전/전기분해 시스템

• 광화학 공정

• 광전화학 공정

핵심 기술 : 광촉매 제조, 특성 분석, 산화-환원 반응

열분산 반응기 설계

특징 : 실용화에 접근한 싸이클이 없음, 경제성 미흡

생물학적

수소생산

• 광합성 박테리아를

이용한 유기물의 광분해

• 광합성 및 발효성 박테리아의

하이브리드 시스템

• 유기화합물 발효

핵심 기술 : 균주 분리 및 개선, 광합성 미생물 배양

수소생산 시스템

특징 : 대량 생산이 어려움, 기술의 경제성 확보어려움

■ 연료전지용 연료 개질




• 수소의 저장 기술은 연료전지 안전한 운전을 위하여 필수적인 기술임

• 액화 수소, 압축수소, 금속 수소화물, 화학적 수소화물 등의 형태로 저장

• 현재 수송용으로는 압축수소 연료 저장 방식이 가장 일반적인 방법임

• 연료전지 자동차에서는 연료의 저장 압력이 높기 때문에 연료공급 시 파손을 방지하기 위한

연료 공급시스템이 필수적임

<연료전지의 연료 저장 방식 비교>

■ 연료전지의 연료 저장시스템 및 연료 공급




장 점

단 점

높은 에너지 효율 (40% 이상, CHP 경우 80%이상)

환경오염이 적음 (NOx 및 SOx 무배출)

화석연료의 의존성이 적음

소음이 적음 (기계적 Moving Part 부재)

이동이 자유로움 (설치장소의 제약이 적음)

폐열 활용이 가능함 (열병합 발전)

초기 설치비용의 경제성 문제

(Target : RPG $400/kW, Vehicle $45/kW)

기술적 신뢰성 및 내구성 문제

수소공급, 저장 등 인프라 구축문제

버너 보일러 터빈 발전기

화학에너지 열에너지 기계에너지 전기에너지

손실 손실

기존화력발전방식

화학에너지 전기에너지

연료전지발전방식

■ 연료전지시스템의 장단점 및 발전 방식

※ CHP(Combined Heat and Power, 열병합발전 ): 하나의 에너지원으로부터 열과 전력을 동시에 발생시켜 용도별로 적절히 공급하여 에너지 이용 효율의 극대화를 추구하는 시스템

※ RPG(Residential Power Generator): 가정용 연료전지 발전시스템 ※ 출처: “수소연료전지”, School of Mechanical Engineering, Pusan National University


감사합니다.

Documents

전지의 종류 및 개요 III 연료전지 - KOCWcontents.kocw.net/KOCW/document/2014/cu/hanyoonsoo/3.pdf · 2016-09-09 · - 연료개질장치(reformer): 수소를 함유한 탄화수소계