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발전원리 | ||||
연료중 수소와 공기중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전 2.수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동, 전자는외부회로를 통해 공기극으로 3.공기극 쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물(물)을 생성 ⇒최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열생성 |
2) 연료전지의 반응과정 (예)
Anode(Pt/C)(H2↔2H++2e-) Electrolyte 2H+→ Cathode(Pt/C)(1/2O2+2H++2e-→H2O) |
3. 연료전지의 종류
전해질의 종류에 따른 분류 | ||||||
구분 | 전해질 | 동작온도 (℃) | 효율(%) | 용도 | 특징 | |
알카리(AFC) | 알카리 | 120이하 | 85 | 우주발사체전원 | - | |
인산형(PAFC) | 인산염 | 250이하 | 70 | 중형건물(200㎾) | CO 내구성 큼, 열병합대응 가능 | |
용융탄산염형 (MCFC) |
탄산염 | 700이하 | 80 |
중·대형건물 (100㎾~㎿) |
발전효율 높음, 내부개질 가능, 열병합대응 가능 | |
고체산화물형 (SOFC) |
세라믹 | 1,200이하 | 85 |
소·중·대용량발전 (1㎾~㎿) |
발전효율 높음, 내부개질 가능, 복합발전 가능 | |
고분자전해질형 (PEMFC) |
이온교환막 | 100이하 | 75 |
가정·상업용 (1~10㎾) |
저온작동 고출력밀도 | |
직접매탄올 (DMFC) |
이온교환막 | 100이하 | 40 |
소형이동 (1㎾ 이하) |
저온작동 고출력밀도 | |
※AFtC(Alkaline Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid FC), MCFC(Molten Carbonate), SOFC(Solid Oxide), PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane), DMFC(Direct Methanol) → 순서대로 기술발전 단계임 |
4. 연료전지 발전 시스템의 구성
<연료전지 발전시스템 구성도> |
(1) 개질기(Reformer) - 시스템에 악영향을 주는 황(10ppb이하), 일산화탄소(10ppm이하) 제어 및 시스템 효율향상을 위한 compact가 핵심기술 (2) 스택(Stack) - 단위전지 제조, 단위전지 적층 및 밀봉, 수소공급과 열회수를 위한 분리판 설계·제작 등이 핵심기술 (3) 전력변환기(Inverter) (4) 주변보조기기(BOP: Balance of Plant) |
5. 각 연료전지의 발전현황
1) 알칼리형(AFC : Alkaline Fuel Cell) - 1960년대 군사용(우주선 : 아폴로 11호)으로 개발, 순 수소 및 순 산소를 사용
2) 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
3) 용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)
- 1980년대에 기술개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지,대형건물의 분산형 전원으로 이용
- 미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중(250㎾ 상용화, 2MW 실증)
4) 고체산화물형(SOFC : Solid 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
5) 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
6) 직접메탄올연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)
- 1990년대 말부터 기술개발된 연료전지로 이동용(핸드폰, 노트북 등) 전원으로 이용
- 고분자전해질형 연료전지와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야임
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