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신재생에너지 개론 ( 연료전지 )

신재생에너지 개론 ( 연료전지 ). 곽 이 구 kwac29@jj.ac.kr 016-664-2988. Limited Energy Sources. Oil 40 years. NG 60 years. Coal 230 years. 환경 오염. 신  재생에너지 의 필요성. 에너지원 고갈. 18C 이후 기술 문명 발달과 중화학 공업의 발달 -> 화석연료 사용 급증. Temperature Increase Greenhouse Gases. 환경 오염. 오존층 파괴

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신재생에너지 개론 ( 연료전지 )

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  1. 신재생에너지 개론 (연료전지) 곽 이 구 kwac29@jj.ac.kr 016-664-2988

  2. Limited Energy Sources Oil 40 years NG 60 years Coal 230 years 환경 오염 신재생에너지의 필요성 에너지원 고갈 18C 이후 기술 문명 발달과 중화학 공업의 발달 -> 화석연료 사용 급증

  3. Temperature Increase Greenhouse Gases 환경 오염 • 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

  4. 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.

  5. Dramatic Growth in Energy Use Oil Demand (Vehicle) Conventional Oil Production 에너지 소비량 급증 에너지 소비량 증가; 1996년 (436 trillion kWh), 2020년 ( 711 trillion kWh) 개발도상국가의 에너지 소비 급증 (60% -> 100% 이상); Chindia (China + India) 국내의 에너지소비량 증가; 매년 10.4% 증가

  6. 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?

  7. 국내 에너지 산업 해외 의존도 (97%) 석유 의존도 (50.6%) 세계 10대 에너지 소비국 세계 6위 석유 소비 세계 4위 석유 수입국 현재 한국의 에너지 상황은...... 에너지 소비량 (2002) 석탄 : 330억톤 원유 : 722백만배럴 가스 : 140억m3 전기 : 307 TWh (8위, OECD기준) 전기 생산 (2002) 수력 : 1.7% 원자력 : 38.9% 석탄 : 38.5% 원유 : 8.2% 가스 : 12.7%

  8. 태양광 태양열 바이오 매스 석탄액화 가스화 신재생 에너지 New & Renewable Energy 수소연료전지 풍력 폐기물 지열 해양에너지 소수력 신재생에너지(New & Renewable Energy)란? • 석탄, 석유, 천연가스, 원자력이 아닌 에너지 (11개분야) • 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래 에너지원 • 재생에너지 : 태양열, 태양광, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지 • 신 에너지 : 연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지 대체에너지개발 및 이용보급촉진법 제4조, 에너지관리공단, 산자부, 2003. 12

  9. 에너지 paradigm의 변화

  10. 수소경제(에너지) 시대 • 20세기 후반 석유의 시대 • 높은 효율 • 응용의 다양성 • 공해 유발 • 자원의 무기화 • 한정된 매장량 • 21세기 수소의 시대 ? • 높은 효율 • 무공해 • 높은 제조비용 • 폭발성 • 수송 및 저장 • 20세기 초반 석탄의 시대 • 풍부한 매장량 • 채굴의 용이성 • 낮은 효율 • 채굴의 고비용 • 공해 유발

  11. 신ㆍ재생 에너지 시대의 도래 Fuel Cells

  12. 수소 경제 태동의 가시화

  13. 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 연료전지 기체연료 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. 제2세대 연료전지; 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 용융탄산염 연료전지제3세대 연료전지; 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지

  14. 전지, 電池, Battery or Cell 리튬 폴리머 리튬이온 폴리머 실리콘계 플라스틱 비실리콘계 고체산화물 리튬 폴리머 아연공기 용융탄산염 리튬이온 니켈수소 고분자 전해질 니켈아연 인산형 알칼리형 니켈카드뮴 리튬망간 알칼리 망간 알칼리계 망간계 리튬계 리튬계 2차전지 1차전지 연료전지 태양전지 화학전지 물리전지 전지 Device converting the original energy of material to electrical energy using its chemical or physical change

  15. 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

  16. History of Fuel Cells 2. Rideal and Evans (1922) : “fuel cell”이라는 명칭 사용 3. 1950년대 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

  17. History of Fuel Cells • 5. 인산 형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell) • 1970년대 민간차원에서 처음으로 기술 개발된 1세대 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

  18. History of Fuel Cells • 7. 용융 탄산염형 (MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell) • 1980년대에 기술 개발된 2세대 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) • 1980년대에 본격적으로 기술 개발된 3세대 • MCFC보다 효율이 우수한 연료전지, 대형발전소, 아파트단지 및 대형건물의 분산 형 전원으로 이용 • 최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나 • 우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이 가장 낮음

  19. History of Fuel Cells 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 (1980년대) Gemini Fuel Cell Unit

  20. History of Fuel Cells 10. Fuel Cell Vehicles with PEMFCs - General Electric and Los Alamos National Lab (1982) : PEMFC를 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

  21. History of Fuel Cells 2001, 현대, 국내 최초 싼타페 연료전지 자동차 개발 1997, Hockaday (LANL), Micro Fuel Cell 개발 1994, Ballard &Daimler-Benz,NECar 1 (New Electric Car) 개발 1992, Jet Propulsion Lab, Solid polymer (Nafion) 이용 Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) 발명 1980년대, 한국, 연료전지 연구시작 1972, DuPont에서 Nafion 합성 1966-1972, Apollo Space Mission에 AFC 사용 1967, Pratt & Whitney Aircraft사 Phosphoric AcidFuel Cell (PAFC) 발명 1967, GM사, Fuel Cell powered Electrovan 제작 1960, GE사, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell 발명 1946, Davtyan, Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) & Alkaline Fuel Cell (AFC) 발명 1937, Baur & Preis, Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) 발명 1922, Rideal & Evans, “fuel cell” 명칭사용 1842,William R. Grove경 “Gaseous voltaic battery” 발견

  22. 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.

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

  24. e- e- e- e- 연료 전지 vs. 전기 분해(물) Battery e- e- e- e- Platinum electrode O2 O2 H2 H2 Acid electrolyte Acid electrolyte Electrolysis Fuel Cell

  25. Internal combustion engine Fuel cell engine Upstream emission Vehicle operation Reformulated gasoline MeOH from natural gas reformed on-board Direct H2 from water (Electrolysis from average electricity mixture) Direct H2 from natural gas Direct H2 from water (Electrolysis from renewable, hydro, biomass) Reformulated gasoline (2010) Reformulated gasoline (2000) Source : Canadian Fuel Cell: Commercialization Roadmap, 2003 연료전지 특징 친환경적 저소음 공해물질 배출 감소 고효율 (에너지 절감 효과) 화석연료 의존 감소 모듈 식 제작 다양한 연료 선택 성

  26. 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∼0.8V의 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

  27. 연료 전지의 원료로서의 수소 • 연료 전지에서산소는 공기 중에서 얻고, 수소는 외부에서 공급한다. • 수소는 가벼워서 지구 표면에는 기체 상태로 존재하지 않기 때문에 물, 화석연료, 바이오 매스 등 수소 포함물질에서 추출

  28. 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.

  29. 전지의 분류 • 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 • 1차 전지; 자발적 산화-환원 반응이 전기 에너지를 형성, 볼타 전지, 건전지 • 2차 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.

  30. 연료전지; 고 출력, 고 에너지밀도 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 (2차 전지)

  31. 연료 전지 활용 분야

  32. 연료 전지 계발 단계

  33. Direct Methanol Fuel Cells, DMFC

  34. RPG (Residential Power Generator)

  35. Fuel Cell Vehicles

  36. 현재 국내 연료전지 산업 : 가정용 3리터 하우스 (퓨엘셀파워,대림산업, 한국바스프, 건설예정) 1.5kW 연료전지 시스템 (퓨엘셀파워, 2004) 1.5kW 연료전지 시스템 (GS퓨엘셀, 2005)

  37. 현재 국내 연료전지 산업 : 휴대용 휴대용 연료전지 (LG화학, 2005) 연료전지 노트북 (삼성, 2004) 휴대용 연료전지 (삼성SDI, 2005) 개미산(formic acid) 연료전지 (KIST, 2005)

  38. 현재 국내 연료전지 산업 : 발전용 (중대형) 연료전지-태양전지 건물 (포스코, 조선대, 2006) 100kW 연료전지 발전소 (한전, 예정)

  39. 현재 국내 연료전지 산업 : 자동차 투산 (현대, 2004) 산타 페 (현대, 2002) GM-대우, 2005

  40. 전해질에 의한 연료 전지 분류 YSZ; Yttria Stabilized Zirconia

  41. 인산 형 연료전지 (PAFC) • Phosphoric acid (H3PO4) fuel cell; • 1967년 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 KW급 시판 중, MW급에 대한 연구 진행 50 KW급

  42. 인산 형 연료전지 (PAFC) 개질기; 개질 반응과 함께 CO와 H2O를 사용하여 CO2와 H2를 생성 개질 반응; CH4 + H2O -> CO + 3H2 ∆H = 206 kJ/h CO 변환 반응; CO + H2O -> CO2 + H2 ∆H = -41 kJ/h 전체 반응; CH4 + 2H2O -> CO2 + 4H2 ∆H = 165 kJ/h

  43. 인산 형 연료전지 (PAFC)의 원리 Cathode (음극) Anode (양극) • 음극 채널에서는 O2가 양극 채널에서는 H2 (연료)가 주입 • H2가 촉매에 의하여 H+로 전환되어 100% Phosphoric Acid가 있는 전해질 • 층을 통과하여 음극 채널 쪽에 있는 촉매에 도달 • O2와 H+가 반응하여 H2O가 생성되는 전기 화학반응을 통하여 전기가 생성 • 생성된 H2O는 음극 채널을 통하여 배출된다.

  44. 인산 형 연료전지 (PAFC); 주의 사항 • 연료전지 내에서 전기화학반응이 일어날 때 내부저항, 분극 현상 등에 의하여 • 열이 발생 • 전해질인 Phosphoric Acid는 200℃가 넘게 되면 pyrophosphoric Acid로 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

  45. 용융탄산염 연료전지 (MCFC) • Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) • 1960년대 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 CO가 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)

  46. 용융탄산염 연료전지 (MCFC) 장점; 내부 개질 방법이 가능; 고온 운전 시 발생되는 열로 천연가스를 전지 내부 에서 직접 수소와 CO로 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

  47. 용융탄산염 연료전지 (MCFC)의 구성 • MCFC는 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 + CO32- ___________________________________________________________________ H2 + ½O2 2H2O

  48. 용융탄산염 연료전지 (MCFC) 개발 현황 • MCFC; 용융탄산염이 생성되고 없어지는 산화/환원 반응을 통해 전기를 생산 • MCFC의 상용화 과제 • 출력 향상 • 단위 비용 당 전기 생산량 향상 (화력발전, 원자력 발전등과 견줄 만큼) • 일정시간까지의 일정량 전기 생산을 확보 • MCFC의 전극면적을 확대 • 단위전지 적 층수를 늘려 출력을 증가 • 각 구성요소들의 내구성 향상. • 현재 국내에서는 100KW급 MCFC 스택 개발 (한국전력, 대학, 연구기관)

  49. 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 anode에 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

  50. 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

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