연료전지에 관한 연구

[정종태]

연료전지에 관한 연구

2006. 5. 17

정    종    태

   <순서>

Ⅰ. 서 론

   1. 연료전지 역사

     2. 연료전지 특징비교

Ⅱ. 본론

     1. 연료전지 원리

     2. 연료전지의 열역학적 해석

     3. 연료전지 발전원리

     4. 발전의 구성

Ⅲ. 연료전지의 종류

     1. 1.인산형 연료전지 (PAFC)

     2. 알칼리형 연료전지 (ACFC)

     3. 고분자전해질형 연료전지 (PMFC)

     4. 용융탄산염형 연료전지 (MCFC)

     5. 고체산화물형 연료전지 (SOFC)

     6. 직접메탄올연료전지 (DMFC)

Ⅳ. 결론

      첨부 : 5kW급 고분자 연료전지 시스템

제Ⅰ장. 서론

 우리나라에서 사용하는 전기의 60%가량은 화력 발전으로 생산된다. 화력 발전에 쓰이는 연료들은 거의 모두 우리나라에서 생산되지 않는 화석연료들이다. 그래서 우리나라의 전력 생산에는 많은 외화가 들어가게 된다. 전기의 95%이상을 외국에서 수입한 자원으로 만든다. 하지만 화력 발전을 하는 것보다 적은 양의 화석연료를 이용하여 많은 양의 발전을 할 수 있다면 그것이야말로 우리나라 같은 자원 빈국에서 필요로 하는 발전이다. 이와 같은 생각에서 연구된 것이 바로 연료전지이다.

기존의 화력발전은 화석연료를 연소해서 증기기관을 돌리고 다시 터빈을 돌림으로써 발전을 하기 때문에 발전 도중에 많은 양의 에너지가 손실된다. 하지만 연료전지는 화석연료를 전기화학반응시켜서 바로 전기에너지를 얻기 때문에 에너지 손실이 적은 저공해의 발전이다.

1. 연료전지의 역사

- 1839년 영국의 William R Grove에 의해 수소를 연료로 하는 최초의 연료전지가 제작, 실험되었으나 제조비용, 연료의 특수성 및 짧은 수명 등으로 연구개발이 미비했다.

- 연료전지는 우주선, 특수 잠수함, 무인 통신중개소 등과 같이 단위 부피당 높은 발전 출력이 요구되는 곳에서 사용하기 위하여 1960년도 초부터 미국, 소련 등에서 본격적인 연구가 시작되었다.

- 미국 우주개발 계획의 하나로 General Electric사에서 연료전지를 개발하여 제미니 우주선에 장착하는 첫번째 시도가 1965년에 이루어졌다.

-산업혁명 이후 시작된 화력발전은 심각한 지구 공해 문제와 1970년대 초의 석유파동 등으로 자원고갈 문제에 부닥치게 되었다. 이에 선진각국에서는 공해 요인이 적고 효율이 높은 연료전지의 개발에 큰 관심을 갖게 되었고, 현재 우리나라에서도 미래의 에너지원 중 하나로 기대되는 연료전지 개발에 많은 예산을 투입하고 있다.

2. 연료전지 특징비교

제Ⅱ장. 본론

1. 연료전지의 원리

연료전지는 물의 전기분해와 반대되는 원리로 발전을 하는데 물을 전기 분해할 때는 외부의 전기를 통해(흡수해) 물을 수소와 산소로 분해하는 반면에 연료전지는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응 시켜 전기를 발생한다.

< 그림 >

수소 단독으로 자연계에 존재하지 않아 다른 물질로부터 추출해야 하는데 수소를 여러 가지 연료에서 추출하는 것을 ‘개질’이라고 하며, 가정용 연료 전지의 병합발전은 도시가스, LPG,등유에서, 연료전지 자동차는 methanol, gasoline 등에서 수소를 추출한다.

연료전지에 사용되는 산소는 공기 중에 있는 것을 이용하고 수소는 도시가스 등 천연가스 등에서 추출하여 사용하는데 연료전지의 화학반응은 다음과 같다.

2. 연료전지의 열역학적 해석

          Welec

가정 1. system은 steady state이다.

     2. control volume이며 boundary는 위의 점선과 같다.

     3. 연료 전지에서 발생되는 Q는 무시한다.

     4. Welec은 화학에너지변화만으로 일어난다.

welec=(수소가 해리될 때에 엔탈피 변화)+(수소와 산소가 결합할 때에 엔탈피변화) 로 나타난다.

3.연료전지 발전원리(예: 수소-산소 연료전지)

• 연료중 수소와 공기중 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

4. 발전의 구성

• 개질기(Reformer) 

• 연료인 천연가스, 메탄올, 석탄,석유등을 수소가 많은 연료변환시키는 장치

단위전지 (Unit Cell)

• 연료전지 단위전지(Cell)는 기본적으로 전해질이 함유된 전해질 판, 연료극(anode),
공기극(cathode), 이들을 분리하는 분리판 등으로 구성

• 이 단위전지(Cell)에서 전류를 인출하는 경우 통상 0.6∼0.8V의 낮은 전압이 생성

스택(Stack) 

• 원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체

전력변환기(Inverter) 

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

제Ⅲ장. 연료전지의 종류

1.인산형 연료전지 (PAFC)

   인산형 연료전지 기술은 20년 이상 개발되고 개선되어 왔고, 전기 생산에 비교적 순수한 수소(70% 이상)를 요구한다.  인산형 연료전지 내의 전극은 탄소 지지체의 표면적 위에 촉매로써 백금이나 백금 혼합물을 포함한다.

   인산형 연료전지의 운전 온도는 약 200℃ 이다. 이것은 인산 전해질의 안정도를 위하여 허용하는 최대값이다. 이 기술로 현재까지 순수한 발전 효율은 40∼50% 정도이다. 이 수준 보다 높은 효율을 갖기 위해서는 전지와 스택 구성품의 지속적인 개발에 의한 종합시스템 제어에 의존하여야 한다. 일례로 인산형 연료전지의 반응이 발열 반응이므로 연료전지가 반응온도인 200℃로 유지함이 최적의 운전 조건이 된다. 따라서 연료전지 반응시 반응열을 냉각시켜야 하며 이때 생성되는 반응열을 이용하면 효율을 70%이상 높일 수 있다.

   인산은 저온 연료전지를 위한 전해질로써 필요한 수명을 가진 그런 유일한 물질로 알려져 있다. 이것이 낮은 이온 도전율을 가지고 있다 할지라도 이것의 안정도는 전류 상태를 증진시키는 전지 개발에 기여하였다. 인산형 연료전지 응용은 휴대용, 자동차용 및 고정용 전원을 포함한다

2. 알칼리형 연료전지 (ACFC)

   알칼리 연료전지는 전해질로써 수산화칼륨과 같은 알칼리를 사용한다. 연료로서 순수 수소를 쓰며, 산화제로써는 순수 산소를 쓴다. 운전 온도는 대기압에서 60∼120℃이다. anode의 촉매는 니켈망에 은을 입힌 것 위에 백금-납을 사용하고, Cathode는 니켈망에 금을 입힌 것 위에 금-백금을 쓴다. 알칼리 연료전지의 고효율화의 기본적인 목적은 자동차 산업의 전원 공급용이다. 알칼리 연료전지는 알칼리가 이산화탄소에 민감하기 때문에 인산형 연료전지의 개발보다 늦게 개발되었다.

   알칼리 연료전지 시스템에서 수소의 저장과 이산화탄소의 경제적인 제거는 알칼리 연료전지의 상업화에 가장 중요한 요소이다. 자동차의 경우에 알칼리 연료전지가 확보할 수 있는 시장 비율은 경쟁성 기술에 의하여 영향을 받을 것이다. 알칼리 연료전지 기술 전망은 수소 저장과 대규모 상업화를 시작하기 전에 유통망(distribution)의 개량을 필요로 한다. 과학자들에 의하여 오랫동안 주장되어 온 수소를 기초한 미래 자동차의 경제성은 알칼리 연료전지의 상업화를 선호하게 될 것이다.

3. 고분자전해질형 연료전지 (PMFC)

    고분자전해질형 연료전지의 전해질은 액체가 아닌 고체 고분자 중합체(Membrane)로써 다른 연료전지와 구별된다.   인산형 및 알칼리형 연료전지 시스템과 비슷하게 멤브레인을 이용하는 연료전지는 촉매로써 백금을 사용한다. 멤브레인 연료전지의 개발 목표는 최소 1.5g/kW의 백금 촉매를 쓰는 것이다. 이 백금 촉매는 일산화탄소에 의한 부식에 민감하므로 일산화탄소의 농도는 1000ppm 이하로 유지하여야 만 한다.

    고분자전해질형 연료전지 시스템의 소형화는 자동차 응용에 가장 중요한 역할을 한다. 개발 사업은 인산형 연료전지보다 약 10년이 뒤져 있지만, 인산형에 비해 저온에서 동작되며, 출력 밀도가 크므로 소형화가 가능하며, 기술이 인산형과 유사하여 응용 기술의 적용이 쉽기 때문에 현재는 고분자전해질형 연료전지의 이용 규모가 적을지라도 상업화할 수 있다.

 4. 용융탄산염형 연료전지 (MCFC)

   용융탄산염형 연료전지의 전해질은 낮은 용융점을 가지는 탄화리튬과 탄화포타슘의 혼합물이다. 전극은 다공성 니켈로 만든다. 전극의 부식성과 내구성은 아직 개발에 중요한 애로점이다.

   용융탄산염형 기술의 산 또는 알칼리 연료전지 기술 보다 뚜렷한 장점은 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소에 대하여 내성이 있는 점이다. 이것은 일산화탄소와 이산화탄소를 분리하는 공정을 필요로 하는 다른 것들보다 초기 투자비가 낮고 시스템 설계가 매우 단순해지는 결과를 가져온다. 용융탄산염형 연료전지의 운전 온도는 약 650℃이고, 전지 스택의 열로 전지 내부의 탄화수소 기체의 개질을 허용한다. 내부 개질의 장점은 30% 또는 그 이상의 비용을 감소시킨다.

   용융탄산염 연료전지를 상업화하기 전에 내구성과 신뢰도를 개량시킬 필요가 있다. 운전온도가 높아 정상운전 되는 동안 용융탄산염 전해질의 결핍과 증발로 인하여 양이 줄어들기 때문이다. 이것이 운전의 안정성과 현재 용융탄산염형 연료전지의 유효 수명의 제한점이다.

5. 고체산화물형 연료전지 (SOFC)

   고체산화물형 연료전지의 특징은 탄화수소를 직접 전기로 변화시킬 수 있는데 있다. 전해질은 안정화된 산화이트늄으로 가스가 스며들지 않은 산 이온이 효율적으로 접촉하고 있는 얇은 산화지르코늄 층이다. Cathode는 안정된 산화이트늄으로 된 지르코늄으로 만들어졌고, anode는 니켈-지르코늄 세라믹 합금으로 만들어졌다.

   고체산화물형 연료전지의 가장 톡특한 특성은 운전 온도는 약 1000℃ 로써 매우 높다는 것이다. 이 온도에서는 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화 반응이 일어나고 촉매없이 연료가 개질된다.  운전 온도 1000℃에서 금속 재료의 적당한 열적-기계적 강도를 요구하기 때문에 가스 누출 방지가 가장 중요한 애로 사항이다. 세라믹 재료 기술의 개발은 고체산화물형 연료전지가 상업적으로 발전을 시작하기 전에 필요한 기술이다.  고체산화물형 연료전지는 상업적으로 자동차 응용에 연구되어지고 있다. 자동차에 사용하기 위한 이 전지 기술의 모형화가 밧데리 전원 공급형 자동차가 아닌 전위밀도를 요구하는 것과 접목시키는 것이 궁극적인 목적이다.

6. 직접메탄올연료전지 (DMFC)

DMFC는 메탄올을 직접, 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템이다. 전해질은 이온 교환막에 인산을 담지시킨 것이다. 작동 온도는 150℃로 비교적 저온이다. PEFC와 비교하여 개질기를 제거할 수 있으며, 시스템의 간소화와 부하 응답성의 향상이 도모될 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 반응 속도가 낮은 것이 의한 저출력 밀도, 다량의 백금 촉매의 사용과 메탄올과 산화제의 Cross Over(고체 고분자 막을 통과하는 것) 등의 단점도 있다.

Type of Fuel cell

Fuel Cell	Electrolyte	Operating temperature	Catalysis	Elctrochemical reaction
PEMFC	Nafion Dow polymer	85-100℃	platinum on carbon	Anode : H22H++2e- Cathode : 1/2O2+2H++2e-H2O Cell : : H2+ 1/2O2H2O
AFC	Aqueous solution of KOH	80℃	platinum on carbon	Anode : H2+2(OH)-2 H2O +2e- Cathode : 1/2O2+ H2O +2e-2(OH)- Cell : : H2+ 1/2O2H2O
PAFC	Lquid phosphoric acid	200 ℃	platinum on PTFE /carbon	Anode : H22H++2e- Cathode : 1/2O2+2H++2e-H2O Cell : : H2+ 1/2O2H2O
MCFC	Lithium or potassium carbonate	650℃	Nickel or Nickel complex	Anode : H2+CO3-2 H2O + CO2+2e- Cathode : 1/2O2+ CO2 +2e- CO3-2 Cell : : H2+ 1/2O2H2O
SOFC	Yttria-stabilized zirconia	1000℃	Nickel / Zirconia cermet	Anode : H2+O2- H2O +2e- Cathode : 1/2O2+2e-O2- Cell : : H2+ 1/2O2H2O

제Ⅳ장. 결론

이번 연구를 통해서 연료전지가 단순한 것이 아님을 알았다. 좀 더 상세한 연구를 하려면 화학열역학에 관한 지식을 얻어야 한다. 연구 목표를 기계적인 것으로 잡았다면 열역학적 해석이 더욱 쉬웠을 것이다.

우선 연료전지의 가장 큰 특징은 화학연료를 넣어 전기에너지를 바로 생성한다는 것이다. 화학에너지가 전기에너지로 변형되어 바로 사용 할 수 있다는 것이 연료전지의 장점이다. 또한 연료전지는 다른 에너지원에 비해 열역학적 제한을 받지 않기 때문에 효율이 굉장히 높은 에너지원임을 알게 되었다. 예를 들면 수력발전이나, 화력발전, 태양열, 또는 풍력발전과 같은 터빈을 돌림을 통해서 발전하는 방식은 마찰과 같은 비가역 인자들이 에너지를 파괴를 만들어 내고 그에 따라 효율이 많이 떨어진다. 이에 비해 연료전지는 연료를 주입하여 그 에너지가 바로 전기에너지로 변형되기 때문에 에너지 손실이 높다고 할 수있다. 연료전지의 효율은 낮추는 원인 중 하나가 바로 열의 발생이다. 이것 또한 연료전지의 장점이 된다. 보일러와 같은 유체로 열을 전달하게 하여 난방 시스템이나 열을 효율적으로 사용 할 수도 있기 때문이다. 연료전지는 많은 가능성을 지닌 에너지원이다 이에 더욱 많은 연구가 진행되고 있고, 앞으로도 그럴 것이다.

1.그림 : 5kW급 고분자 연료전지 시스템

2. 그림 50kW급 인산형 연료전지 스택제조 및 운전기술개발

 끝.  논문제출 자료입니다.

[열정맨]

수고 하셨습니다...좋은내용입니다.

[마라도나]

감사합니다.