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Fuel Cell

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  • 1. 연료전지 -3 차 전지 Fuel Cell
  • 2. 화학 전지
    • 이온화 경향이 다른 두 금속을 이용하여 전해질 용액에서 전류를 얻는 장치
    • 이온화 경향의 차이가 클수록 높은 전압을 얻을 수 있음 .
    • 이온화 경향이 큰 금속이 양이온이 되어 전자를 내어 놓아 전자가 만으로 (-) 극이 되고 이온화 경향이 작은 금속 쪽이 (-) 극에 비해 전자가 부족하여 (+) 극이 됨
    • 화학 전지의 구성
    • (-) 극 : 이온화 경향이 큰 금속 , 전자를 잃음 ( 산화 반응 )
    • (+) 극 : 이온화 경향이 작은 금속 , 전자를 얻음 ( 환원 반응 )
    • 전해질 용액 : 묽은 산이나 염의 수용액으로 함
  • 3. 연료전지 (Fuel Cell)
    • 1839 년 , 영국 William R Grove: 수소를 연료로 하는 최초의 연료전지가 제작 , 실험 1965 년 , General Electric 사 : 연료전지 개발 : 상용화
    • 연료 산화로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전지
    • 일종의 발전장치라고 할 수 있으며 산화 / 환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통의 화학전지와 같지만 , 닫힌 화학전지와는 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어 , 반응생성물이 연속적으로 제거됨 . 수소 - 산소 연료전지가 가장 보편적
    • 수소 , 메탄 , 천연가스 등 기체연료 사용 전지와 메탄올 및 히드라진과 같은 액체연료 사용 전지 등 여러 가지가 개발 되었으며 작동온도가 300 ℃ 정도 이하는 저온형 , 그 이상은 고온형으로 분류 . 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형 용융탄산염 전지는 2 세대 , 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지는 제 3 세대 연료전지
  • 4. Chemical Energy -> Electrical Energy H 2 O Fuel Cell Heat Electricity Fuel Air
  • 5. 연료전지의 작동 원리 연료 중 수소와 공기 중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전 ① 연료극 ( 양극 ) 에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리 -> ② 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동 -> ③ 공기극 ( 음극 ) 쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물 ( 물 ) 을 생성 ⇒ 최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기 , 물 및 열생성
  • 6. 연료전지의 특징
    • 열병합 : 폐열활용 ( 효율 : >70%)
    • 발전효율이 40∼60 % 이며 , 열병합 발전 시 80% 이상 가능
    • 천연가스 , 메탄올 , 석탄가스 등 다양한 연료사용 가능
    • 환경공해 감소 : 배기가스 중 NOx, SOx 및 분진이 거의 없으며 , CO2 발생량에 있어서도 미분탄 화력발전에 비하여 20∼40% 감소
    • 회전부위가 없어 무소음 , 화력발전과 달리 다량의 냉각수 불필요
    • 도심부근 설치 가능 , 송배전시의 설비 및 전력 손실 적음
    • 부하변동에 따라 신속히 반응 , 설치형태에 따라서 현지 설치용 , 분산 배치형 , 중앙 집중형 등의 다양한 용도 사용 및 증설 가능
  • 7. 연료전지 시스템의 구성
    • 개질기 (Reformer)
    • 연료인 천연가스 , 메탄올 , 석탄 , 석유 등을 수소가 많은 연료로 변환시키는 장치
    • 단위전지 (Unit Cell)
    • 연료전지 단위전지 (Cell) 는 기본적으로 전해질이 함유된 전해질 판 , 연료극 (Anode), 공기극 (Cathode),
    • 분리판 (Separator)
    • 단위 전지의 분리막으로 단위전지 (Cell) 에서 전류를 인출하는 경우 통상 0.6∼0.8V 의 낮은 전압이 생성
    • 스택 (Stack)
    • 원하는 출력을 얻기 위해 단위전지를 수십 / 수백 장 직렬로 쌓아 올린 본체
    • 전력변환기 (Inverter)
    • 전지에서 나오는 직류전기 (DC) 를 교류 (AC) 로 변환시키는 장치
  • 8. 연료전지 관련 필요 기술
  • 9. 연료전지시스템 장단점 및 발전 방식 장 점 단 점
    • 높은 에너지 효율 (40%/ CHP = 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 화학에너지 전기에너지 기존화력발전방식 연료전지발전방식
  • 10. 연료전지의 종류 및 특징 종류 전해질 동작 온도 촉매 이온이동 응용 / 비고 알칼리 (AFC) KOH 50~200℃ Pt, Ni OH - 우주 왕복선 등 특수목적으로 사용 중 고체 고분자형 (PEFC) Proton Exchange Membrane 30~100℃ Pt H + 자동차용 , 모바일 기기용 , 저출력 CHP 시스템 직접메탄올 (DMFC) Proton Exchange Membrane 20~90℃ Pt-Ru H + 저출력으로 자기간 이용하는 휴대용 전자시스템 , 자동차에 적합 인산형 (PAFC) H 3 PO 4 약 220℃ Pt H + 분산전원 , 다수 200 kW CHP 시스템에 사용 중 용융탄산염형 (MCFC) Proton Exchange Membrane 약 650℃ Ni, LiNi CO 3 2- 중 ~ 대규모 CHP 시스템 , 복합발전 , 열병합발전 고체산화물형 (SOFC) Solid Oxide ZrO 2 -Y 2 O 3 500~1000℃ Ni O 2- 2 kW~ 수 MW 크기 CHP 시스템에 적합 . 복합발전 , 열병합발전
  • 11. 연료전지 시스템의 구성도
  • 12. 연료전지의 연료 개질
    • 사용되는 수소의 생산은 화석 연료로부터 개질 하여 사용
    • 개질은 CO 2 저감효과가 미비 향후 원자력 , 대체에너지에 의한 수소 생산 방식 개발 필수
    • 고온 수증기 개질 , 부분 산화 개질 방식을 혼합한 형태 시스템 개발이 활발히 진행 중
    • -> 부분산화 개질 시 발열에너지를 고온 수증기 개질 열원으로 활용
    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 CO 2 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 / 발효성 박테리아 하이브리드 시스템
    • 유기화합물 발효
    핵심 기술 : 균주 분리 및 개선 , 광합성 미생물 배양 수소생산 시스템 특징 : 대량 생산 / 기술 경제성 확보 어려움
  • 13. 인산형 연료전지 (PAFC)
    • 최초로 상업적으로 제작된 연료전지
    • UTC Fuel Cell 에서 200 kW 급 시스템을 미국 및 유럽에 설치 운전 중
    • 다공질 전극과 Pt 촉매 사용하여 220 ℃ 에서 운전
    • 신뢰성이 높으면서 유지보수가 필요 없는 전원
    • 주로 전력공급용으로 개발 운전되고 있음
    <UTC Power 의 200 kW 급 PAFC>
  • 14. 인산형 연료전지 (PAFC)
    • 운전 온도는 약 200℃. 인산 전해질 안정도를 위하여 허용하는 최대값인데 이 기술로 현재까지 순수한 발전 효율은 40∼50% 정도 . 효율 증진을 위해서는 전지와 스택 구성품의 지속적인 개발과 종합 시스템 제어 필요 . 연료전지 반응 시 반응열을 냉각시켜야 하며 이때 생성되는 반응열을 이용하면 효율을 70% 이상 높일 수 있다 .
  • 15. 알칼리형 연료전지 (AFC)
    • 전해질로 진한 (85%) KOH 을 사용하는 고온용 (205℃) 과
    • 묽은 (35-50%) KOH 를 사용하는 저온용 (<120℃) 이 있음
    • 전해질은 매트릭스 ( 주로 석면 ) 안에 체류시켜 사용
    • CO 2 에 취약하므로 순수한 수소와 산소를 사용해야 됨
    • 반응 속도를 촉진시키기 위해 주로 고압에서 운전
    • 아폴로 우주왕복선에서 이용
    <UTC Power 사의 AFC 시스템 > <AFC Stack>
  • 16. 알카리형 연료전지 (AFC)
    • 전해질로 수산화칼륨과 같은 알칼리 사용 . 연료는 순수 수소를 쓰며 , 산화제는 순수 산소 사용 . 운전 온도는 대기압에서 60∼120℃. Anode 촉매는 니켈망에 은 코팅 + 백금 - 납 , Cathode 는 니켈망에 금 코팅 + 금 - 백금 . 고효율화 목적은 자동차용 . 이산화탄소에 민감하기 때문에 인산형 연료전지 개발보다 늦게 개발 시작
  • 17. 고분자 전해질형 연료전지 (PEMFC)
    • 고분자 막을 전해질로 이용한 연료전지
    • 촉매로 백금을 사용함으로써 비교적 고가
    • 저온에서 운전됨으로써 시동성이 우수
    • 고체 막을 전해질로 사용함으로써 취급이 용이
    • 자동차 , 가정용으로 주로 개발 중
    • 2010 년 이후 실용화 가능할 것으로 전망
    < 연료전지 자동차의 개념도 > < 혼다의 PEMFC Stack> 수소 탱크 FC 시스템 냉각 장치 배터리
  • 18. 고분자 전해질형 연료전지 (PEMFC)
    • 전해질이 액체가 아닌 고체 고분자 중합체 (Membrane) 로 다른 연료전지와 구별 . 인산 / 알칼리형 연료전지 시스템과 비슷하게 멤브레인을 이용하며 촉매로 백금 사용 . 백금 촉매는 일산화탄소에 의한 부식에 민감하므로 일산화탄소의 농도는 1000ppm 이하로 유지 . 자동차용 상용화 연구 가속 중
  • 19. PEMFC 구성 요소
    • 전해질과 접촉한 촉매 상에서 전기화학 반응
    • 분리판 : 반응가스의 유로 제공 , 전기적 연결
    • 개스킷 : 반응가스의 누출 방지
    • 가스 확산층 : 반응가스의 원활한 공급
    • MEA: 고분자 전해질과 백금촉매의 접합체 전기화학 반응
    MEA 그라파이트 분리판 개스킷
  • 20. 막전극접합체 (Membrane Electrode Assembly)
    • Anode/Membrane/Cathode 조합 = MEA: 연료전지 핵심부품
    • MEA 두께 = 사용 Membrane 두께 (20 ~ 200 ㎛ )+ 촉매량
    • 촉매층을 다공성 기판에 침적시키고 , 막을 고온 압착하여 제작
    gPROMS 모델 MEA < 실제 MEA, Gore>
  • 21. PEMFC 기체 확산층 (Gas Diffusion Layer)
    • 반응 기체가 흐름장 채널 (Flow Field Channel) 에서 촉매층으로 가는 통로
    • 생성된 수분이 촉매층으로 부터 흐름장 채널로 가는 통로
    • 촉매층과 분리판을 전기적으로 연결 , 전자가 흐르는 통로
    • 전기화학 반응에 의해 발생한 열을 분리판으로 전도하여 열 제거
    • MEA 를 기계적으로 지지
    • 두께 17~40 ㎛ , 밀도는 0.21~0.73 g/cm 2 , 세공율 (Porosity) 70~80%
    Carbon Cloth, E-TEK
  • 22. PEMFC 분리판 (Bipolar Plate)
    • Fuel, Air 및 냉각수의 유로 형성 . 전자 이동 통로 역할
    • 여러 셀을 직렬로 전기적 연결 역할 , 전기전도도가 우수해야 됨
    • 스텍 구조적 지지체 역할 . 적절한 강도와 가벼워야 됨
    • 냉각 유로로의 열 이동에 적당한 열적 도체
    분리판의 다양한 유로 형태
  • 23. PEMFC Stack
    • 스택은 여러 단위 셀을 쌓은 것 . 셀의 Cathode 는 인접 Cell Anode 와 연결
    • 반응물이 각 셀 및 셀 내부로 균등하게 분배되도록 설계
    • Cell 적층 시 동일한 압력에 의한 체결 필요 ( 누설 및 휨 현상 방지 )
    • 연료전지 스택 경우 발생하는 열의 능동적 제거 필요함 ( 강제 냉각 필요 )
    PEMFC Stack 개념도 Intelligent Energy 사 스택 Fuel Flow Field Plates Air MEA
  • 24. 용융 탄산염형 연료전지 (MCFC)
    • 알칼리 (Li, Na, K) 탄산염의 조합으로 구성된 전해질을 LiAlO 2 의 세라믹
    • 매트릭스에 체류시켜 사용
    • 탄산 이온이 전도성을 띄는 600~700 ℃ 에 용융염으로 운전
    • 귀금속 촉매 불 필요
    • 발전용으로 준 산업화되어 실험 단계
    <FCE 사의 MCFC 발전시스템 > <MCFC 의 구성 요소 > Matrix Fuel Anode Bipolar Plate Oxidant
  • 25. 용융 탄산염형 연료전지 (MCFC)
    • 전해질은 저 용융점의 탄화 리튬 + 탄화 포타슘 혼합물 . 전극은 다공성 니켈로 만든다 . 전극 부식성과 내구성이 주 애로점 . 장점은 일산화탄소 , 이산화탄소 및 수소에 대하여 내성 보유 , 분리하는 공정이 줄어 초기 투자비가 낮고 시스템 설계가 단순 . 운전 온도는 약 650℃. 전지 스택 열로 내부 탄화수소 기체의 개질을 허용하므로 . 30% 또는 그 이상의 비용 감소 . 운전 안정성과 유효 수명이 단점
  • 26. 고체산화물형 연료전지 (SOFC)
    • 탄화수소를 직접 연료로 사용 가능하며 , CO 로부터 안전
    • 운전 온도는 약 500~1000℃ 로 열병합 발전 가능
    • 재료간의 열팽창의 차이에 의한 기계적 변형 방지 필요
    • 상업적으로 발전설비 , 자동차 등의 응용을 위해 개발 중
    • 고온에서 운전됨으로 Gas Turbine 과 연계한 고효율 시스템 구현 가능
    Siemens 열병합발전용 SOFC 시스템과 HPD5 와 Delta9 SOFC 스텍
  • 27. 고체산화물형 연료전지 연료전지 (SOFC)
    • 탄화수소를 직접 전기로 변화시키는 특징 . 전해질은 산화 이트늄 . Cathode 는 안정 산화 이트늄으로 된 지르코늄 , Anode 는 니켈 + 지르코늄 세라믹 합금 . 운전 온도는 약 1000℃ 로 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화 반응이 일어나 촉매 없이 연료가 개질 된다 . 1000℃ 에서 열적 - 기계적 강도를 견디는 금속을 요구하기 때문에 가스 누출 방지가 가장 중요한 애로 . 세라믹 재료 기술 개발이 상업화에 필요한 기술 . 자동차 응용에 연구 중
  • 28. 직접메탄올연료전지 (DMFC)
    • 메탄올을 직접 , 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템 . 전해질은 이온 교환막에 인산을 담지 시킨 것 . 작동 온도는 150℃ 로 비교적 저온 . PEFC 와 비교하여 개질기를 제거할 수 있으며 , 시스템의 간소화와 부하 응답성의 향상의 장점 . 반응 속도가 낮아 출력 밀도가 낮고 , 다량 백금 촉매 사용과 메탄올과 산화제의 Cross Over( 고체 고분자 막을 통과 ) 등의 단점
  • 29. 직접메탄올연료전지 (DMFC)
    • 메탄올을 직접 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템
    • 전해질은 수소이온교환막을 사용하며 , 촉매로 Pt-Ru 사용
    • 메탄올의 화학 반응이 느리므로 출력이 낮고 , 메탄올의 Crossover 에 의
    • 한 손실 등의 단점
    • 소형 휴대용 전자기기의 전원으로 개발 중
    • 비행기의 메탄올 소지 금지 등의 규제로 개발 약화
    <DMFC 를 이용한 이동형 전원 > <DMFC Stack>
  • 30. 연료전지의 응용 분야
  • 31. 쮸부 발전의 200kW PAFC 발전기 도쿄가스의 200kW PAFC 발전기 간사이 발전소의 200KW PAFC 발전기 발 전 용
    • 인산형 연료전지 (PAFC): 200 도 C
    • 용융탄산염 연료전지 (MCFC): 600 도 C
    • 고체산화물 연료전지 (SOFC): 1000 도 C
    • 수백 KW- 수 MW 급의 대형 발전용
    • 연료 = 수소 , 천연가스 , LPG, 가솔린 등
  • 32. 매직 큐브 , 한달 사용노트북 전지 , 지갑용 휴 대 용
    • 직접 메탄올 연료전지 (DMFC): 상온
    • 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC): 상온
    • 수십 W 급 이하의 휴대용 전원
    • 연료 = 메타놀 , 수소
  • 33. 휴대용 FC for Laptop Fraunhofer Miniature H Power FC for VC H Power FC for VC Laptop
  • 34. 가 정 용 Fuel Processor 를 이용하여 화석연료로부터 수소를 생산하고 가정에서 필요로 하는 전기와 열 공급
  • 35. 한국이 건조키로 한 독일 HDW 사의 214 급 잠수 연료전지를 내장해 2 주까지 물 속에 버틸 수 있다 수 송 용 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC) : 운전 속도 =80 도 C 수십 KW 급 자동차용 전원 연료 = 수소 , 천연가스 , LPG, 가솔린 등 산소 탱크 모터 디젤 발전기 연료 전지 축전지
  • 36. 연료전지 자동차 수소 탱크 FC 시스템 냉각 장치 배터리
  • 37. Fuel Cell Vehicle-Honda
  • 38. 미래 우주에서의 연료전지 사용 예
  • 39. 발전 전망 및 문제점
    • 향후 연료전지의 시장형성 전망
      • 주택용 , 휴대용 -> 자동차용 -> 발전용 순으로 상용화
      • 자동차용 : 인프라 구축 , 가격 경쟁력 및 대량 생산 기술로의 전화 시점
      • 휴대용 : 안정성 ( 항공기 반입금지 ) 등 규제 강화 , 소형화 과제 해결 필요
    • 연료전지의 보급의 확산으로 수소에너지 중심사회로 이행
      • 2020 년경부터 수소에너지 전환이 본격화
      • 2030 년부터는 모든 신제품에 연료전지가 탑재 될 것으로 전망
      • 선진국을 중심으로 2040 년경부터 수소에너지 경제로 전환예상
    • 연료전지의 문제점
      • 높은 자본비용
      • 재료선택의 제한성
      • 연료보급과 저장
      • 안전우려
  • 40. 요 약
    • 저공해 , 고효율의 연료전지 각광
    • 소재 개발 및 양산기술 개발 필요
    • 탄소 배출권 & 탄소시장 대비
  • 41. 야마토 전자㈜ www.yamato-elc.com 와이이케이코리아 www.yekglass.com ☎ 82-70-7560 앰브로㈜ ☎ 82-70-7560-2967 ● AM OLED 와 DSSC 솔라셀에 최상의 SEALING FRIT 솔루션 ● ● 3D 윈도우 글래스 성형 ● 2 차 전지 음극제 ● 문의 : jaheelee@dreamwiz.com

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