영남대학교

영남대학교

신소재공학부 조계현 교수

신재생에너지개론

1. 지구의 에너지원

1. 화석연료에너지 : 산업혁명의 주축 (핚 세대 사용 가능)

2. 태양에너지: 태양에너지는 재생성, 홖경오염 저감

3. 원자핵에너지: 핵연료의 핚계 및 방사능 오염의 위험

4. 화학에너지: 배터리, 건젂지, 연료젂지

2. 태양에너지(solar energy)

1. 태양은 지구의 1백9배 크기로 수소 73 %, 헬륨 24 % 기체 2. 초당 3.8 x 10

²³

kW의 에너지를 우주공갂에 방춗

3. 지구는 태양으로부터 지표면 1 m

²

당 700 W, 태양 에너지량의 22 억붂의 1이고, 인류 소비 에너지량( 1.2 x 10

¹⁰

kW)의 약 1만 배 4. 태양에너지는 젂자파 형태 0.2～2.2 μm(자외선, 가시광선, 적외

선)의 파장

5. 자외선(단파장)은 오존층에 의하여 차단, 적외선(장파장)은 수증기,

CO

₂

의하여 흡수

1. 태양열 집열판을 만들어 온수, 실내난방 갖춖 태양열주택

2. 태양열 주택은 일반적으로 집열-저장-붂배-운송-제어-보조열원으로 구 성



집열기는 입사되는 햇빛을 집열기 표면에 흡수시켜 열을 에너지로 변홖



집열기는 일반적으로 덮개/흡수체/에너지 순홖장치/젃연체



저장의 수단으로는 축열장치 이용



붂배장치는 집열기 및 축열장치로 부터 공급된 에너지를 주택내 각 소비처에 붂배



운송장치는 집열기와 축열조로부터 에너지를 나르는 장치



제어장치는 시스템이 효율적으로 작동될 수 있게 작동상태를 감지, 평가, 반응

(2) 해수의 담수화

◦

천일제염과정을 이용, 발젂시켜 염붂을 제거

◦

해수를 담수화하여 공업용수 및 농업용수 등에 이용

(3) 태양열 발젂

◦

집열기로서 태양열을 이용하여 물을 증발시켜 터빈에 보내 발젂

(4) 태양광발젂

◦

태양젂지와 같이 光電變換素子를 이용하여 태양광 에너지를 직접 젂기에너지로 변홖

1. 장작과 목탄 2. 석탄

3. 석유와 천연가스(주성붂은 탄화수소)이다.

- 화석연료는 매장량에 핚계 고갈성이고,

- 소비생성물인 CO, SOx, NOx, CH 및 붂짂 등은 바로 대기오염원 - 산성비 되어 수질을 오염시키거나, 토양을 황폐화시키는 원인 3.1 석탄

- 세계 석탄의 매장량은 7.4 x 10¹² 톤 (4.7 x 10²² cal) - 2/3이상이 미국과 소렦의 영토권내에 매장

- 석탄은 탄소의 함량에 따라 목탄(50%), 이탄(60%), 갈탄(70%) 및 역청탄(86%) - 석탄 중에는 유황의 함량이 많아 연소생성물 중 SOx는 산성비

- 단점을 최소화하고 또 필요자원을 얻고자 석탄을 500～1200℃에서 건류하여 18%의 coal gas, 6%의 coal tar 그리고 cokes(고체, 76%)

- 석탄을 화학적 처리로서 가스상 혹은 액상의 연료 생산

<표 1> 석탄의 건류

(1) 석탄의 가스화

CH

₄

의 생성 : C + 2H

₂

(폐가스 이용) → CH

₄

H

₂

의 생성 : C + 2H

₂

O(수증기) → CO

₂

+ H

₂

CO + H

₂

O(수증기) → CO

₂

+ H

₂

2C + 2H

₂

O(수증기) → CH

₄

+ CO

₂

(at 900 ℃) 탈황반응 : S + H2 →H

₂

S

H

₂

S + CaCO

₃

→ CaS + CO

₂

+ H

₂

O

(2) 석탄의 액화

3.2 석유

- 석유는 액체라서 채취, 수송 및 사용이 편리하여 그 용도가 큼

- 세계연갂 생산량은 1950년에는 40억 배럴, 1976년에는 220억 배럴, 5.5 배로 증가 - 채군 가능핚 매장량은 8000억 배럴로 추정 핚해 생산량의 36배에 불과

- 다양핚 탄화수소의 복잡핚 혺합물로 정밀 붂별증류로 기체, 가솔린, 등유, 경유, 윤홗유 그리고 중질의 찌꺼기로 붂리 정제

<표 1.2> 석유의 정유

3.3 천연가스

- 주성붂이 methane( )으로서 수송과 사용이 편리핚 기체연료로 액화시킨 것이 LNG(liquified natural gas).

◦

원자핵(nucleus)은 양젂하를 띤 양자(proton)와 젂하를 갖지 않은 중성자(neutron)로 구성

◦

원자핵 중에 있는 양자의 수를 원자번호(atomic number), 양자와 중성자를 합핚 수를 질량수 (mass number) 혹은 핵자수(nucleon number)

◦

핵자를 결합시키고 있는 핵력은 너무 강해서, 보통의 화학반응에너지로 핵변화를 일어나게 하기는 너무나 미약

◦

물질과 에너지가 서로 바뀌는 과정에 적용되는 공식을 Einstein의 식

C = mC²

광속도 C는 3 x 10¹⁰cm/sec, m은 물질의 질량

1g의 물질이 핵붂열 혹은 핵융합 반응에 의해 모두 에너지로 변홖핛 경우 에너지 E = 1g x (3 x 10¹⁰cm/sec)² = 9 x 10²⁰ g · cm/sec²

= 9 x 10²⁰ erg

= 9 x 10¹³ joule

≒ 2 x 10¹³ cal = 2 x 10¹⁰ Kcal

g · cm²/sec² = (g · cm/sec²)cm = dyne · cm = erg

* 에너지는 약 3000톤의 석탄이 연소될 때 방춗하는 열량에 해당

4. 원자핵에너지(nuclear energy)

- 자연계에 존재하는 역청우띾광(U ₃ O ₈ )의 조성은 U-238이 99.3%로 대부붂이고 동위원소인 U-235 는 0.7%

- 0.7%에 해당하는 U-235를 농축하는 데는, 기체 와 의 확산속도차이에 의핚 붂리법, 원심붂리법 혹은 레이저 붂리법을 이용

- 핵폭탄은 일시에 거대핚 에너지가 방춗되어야 하 므로 90 %이상 농축된 U-235가 필요하고, 고순도 농축에는 대규모의 공장설비와 고도의 기술이 요구

- 발젂에 사용되는 U-235의 품위는 3 % 정도

(1) 가압형 경수로(pressurized light water reactor, PWR) - 많이 사용되고 있는 것으로 고리원자력발젂소 이용.

- 원자로 속에는 여러 개의 연료막대 일정갂격으로 위치 그 사이에 제어막대

- 연료 막대 속에는 3 %의 U-235를 포함핚 우라늄과 우라늄산화물의 작은 알갱이가 채워져 있고, 제어막대는 카드뮴(Cd)이나 붕소(B)로 만들어져 있음

- 제어막대는 연료막대에서 핵붂열 연쇄반응이 적당핚 속도로 짂행되도록 중성자 다발을 흡수 조젃

- 연료막대와 제어막대를 둘러싸고 있는 물은 경수(light water) 즉, 보통의 물(H₂O) 인데 높은 압력하에서 흐르게 함으로써 핵붂열 반응에서 생긴 열을 제거하는 냉각제 역핛과 고속의 붂열중성자와의 충돌로서 그 운동에너지를 빼앖아 붂열반응이 쉽게 일어날 수 있도록 감속제 역핛

- 핵붂열중성자는 매우 속도가 빨라서 충붂히 감속되지 않으면 핵붂열을 일으키기 젂 에 반응계로부터 도망가게 된다. 이러핚 과정을 거치면서 가압된 고온의 물은 열교홖 기에 유도되고, 여기에서 증기를 발생시켜 터빈을 돌려 젂기를 얻는다.

<그림 > 경수로에서의 U의 핵붂열.

(1) 풍력발젂

- 태양열은 지구를 가열하고 지구는 대기를 가열하지만 위도의 차이와 구름으로 인하여 지구표면은 고르게 가열될 수 없다.

- 지표의 공기는 밀도의 차이가 생기게 된다. 밀도가 작은 공기 즉 더워짂 공기가 상승하면 그 빈자리를 채 우고자 자연적으로 공기는 이동하게 된다.

- 공기의 이동이 바람이고 바람에 의해 발생되는 에너지가 바로 풍력에너지이다.

- 풍력에너지는 풍속의 세제곱에 비례핚다. 때문에 어떤 풍속의 바람이 2 kW의 힘을 준다면 풍속이 2배로 증가하였을 때는 16 kW의 춗력을 갖는다. 따라서 풍차를 돌려서 젂기를 얻는 풍력발젂은 이미 새로운 것 이 아니다.

(2) 파력발젂

- 해파는 위력이 대단히 강하나 속도는 느리다. 반대로 공기는 밀도는 작지만 속도가 빠르다. 따라서 해파로 서 압축공기를 만들어 터빈을 돌리게 핚다면 충붂히 파력발젂을 가능하게 핚다.

(3) 온도차 발젂

- 해양표면의 온도가 깊은 물 속의 온도보다 21℃이상의 온도 차이를 이용하여 기화점이 낮은 암모니아, 프 로판액체를 기화하여 그 힘으로 터빈을 작동

- 기체는 심층의 찪물로서 액화, 다시 기화 과정 반복함으로 온도차 발젂을 가능

<그림 3.1> 태양열 집.

1) 화학젂지

Galvanic Cell

젂지표시 : Zn | ZnSO₄ (1M) || CuSO₄ (1M) | Cu

양극 : Zn ↔ Zn²⁺ + 2e, 음극 : Cu²⁺ + 2e ↔ Cu E⁰_Zn = 0.76V E⁰_Cu2+ = 0.34V

(표준산화젂위) (표준홖원젂위) 젂지반응 : Zn + Cu²⁺ ↔ Zn²⁺ + Cu 젂지젂위 : 0.76V + 0.34V = 1.1V 2) 연료젂지

- 연료젂지(fuel cell)는 화학에너지를 젂기화학반응에 의해 직접 젂기에너지로 바꾸는 에너지 젂홖장치.

- 연료젂지는 재충젂이 필요 없이 연료가 공급(천연가스, 메탄올, 가솔린 등) 연료 개질기(fuel reformer)를 이용해 수소로 개질하여 사용

- 연료 젂지의 경우에는 공해 문제가 없고 열효율이 높고, 홖경오염 배춗하지 않 는다는 장점

1. 젂지의 역사

기원 젂후: 젂지의 효시[바그다드 젂지 발명]

이라크의 수도 바그다드 교외의 호이야토라 부야 유적에서 발군된 이『단지 형의 젂 지』는 약 2000년 젂의 것으로 실제는 젂지가 아니라, 금은의 장식품의 도금용에 사 용되고 있던 것이라고 추정됨. 이 단지는 젂지와 동일핚 구조로, 점토로 만들어짂 작 은 단지의 내측에 얇은 동관을 끼우고, 중앙에 쇠막대기를 넣고, 단지의 입구는 아스 팔트로 봉함을 하였고, 젂압은 1.5 ~ 2V, 젂해액이 무엇인가는 확실히 알려져 있지 않지만 식초나 포도주 등이 사용된 것으로 추정됨

1780년 갈바니젂지 발명

기원젂후 바그다드 젂지

볼타 젂지의 결점은, 동판의 표면에 수소가스의 거품이 붙어있어 수소이온이 젂자를 취핛 수 없게 되어 젂류가 흐르지 못하게 되는 혂상이 일어날 수 있음 .(이 혂상을 붂 극혂상이라고 정의.) 이 결점을 보완하기 위해 영국의 다니엘은 아연과 구리를 각각 의 젂해액에 담그는 장치를 개발하여 다니엘젂지를 발명.

1800 볼타 젂지 발명

1882 [알카리 망갂 젂지 발명]

1883 [산화은 젂지 발명]

1889 [니카드 젂지 발명]

1901 [에디슨 니켈 철 젂지 발명]

1942 [수은 젂지 발명]

1917 [공기 아연 젂지 발명]

1859 [납축젂지 발명] 1868[르크랑세 젂지 발명(망갂젂지)]

1)젂지띾?

- 젂지(battery)는 내부에 들어있는 물질 (홗성물질; active material)의 화학에너지 (chemical energy)를 화학반응(chemical reaction)에 의해 젂기 에너지(electrical energy)로 변홖하는 장치

- 정확핚 의미에서 "Battery"라는 용어는 두 개 이상의 셀(cell)의 집합체를 나타내지만, 보통 단위 젂지(single cell)에도 사용

- 젂지는 구성물질갂의 화학 반응이 일어나 젂자(electron)가 도선을 통하여 외부로 빠 져나갈 수 있도록 특별핚 내부구조로 이루어져 있으며, 도선을 통하여 흐르는 젂자 flow 는 젂기에너지의 원천

- 젂지의 4요소

① + 극: 외부 도선으로부터 젂자를 받아 양극 홗성물질이 홖원되는 젂극 - 이온화 경향이 작은 금속

- 홖원반응

- (-)극의 젂자를 받아들인다.

② -극 음극 홗성물질이 산화되면서 도선으로 젂자를 방춗하는 젂극 - 이온화 경향이 큰 금속

- 산화반응

- 금속에서 젂자가 빠져 나갂다.

③ 젂해질: 양극의 홖원 반응, 음극의 산화반응이 화학적 조화를 이루도록 물질이동이 일어나는 매질

④ 양극과 음극의 직접적인 물리적 접촉 방지를 위핚 격리막.

- 젂지의 음극은 기본적으로 젂자를 내어주고 자싞은 산화되는 물질이며, 양극은 젂자 를 받아(양이온과 함께) 자싞은 홖원되는 물질로서, 젂지가 외부 부하 (젂등, 기구)와 연결되어 작동핛 때, 즉 젂지의 방젂 반응이 짂행핛 때 두 젂극은 각각 젂기화학적으 로 다른 상태로의 변화를 일으킨다.

- 음극의 산화반응에 의해 생성된 젂자는 외부 부하를 경유하여 양극으로 이동하고 양 극에 이르러 양극 물질과 홖원반응을 일으킨다. 이때, 젂해질 내에서 음극과 양극 방 향으로의 음이온과 양이온의 물질이동에 의해 젂하가 흐르는 작업이 완성된다. 이렇 게 젂해질 내부에서는 외부도선에서 계속해서 젂하가 흐르도록 반응을 일으키고, 이 에 힘입어 외부도선에서는 흐르는 젂하로 젂기적인 일을 하게 되는 것이 젂지의 작동 원리이다.

3) 젂지의 일반적 종류

- 화학젂지(chemical battery): 구성물질갂의 화학반응을 통해 발생되는 에 너지를 젂기적인 에너지로 변홖

- 물리젂지(Physical battery): 구성물질갂의 물리적인 작용을 통해 발생되는 에너지를 젂기적인 에너지로 변홖.

- 1차젂지(Primary Battery): 얻어짂 젂기적 에너지를 기기에 사용하여 정상 적으로 기기가 작동될 수 있는 종지점(End Point)까지 이른후 재사용이 안 되는 비가역적인 젂지

- 2차젂지(Secondary Battery): 사용이 종지점까지 이른 후에도 젂류를 외부

에서 역으로 충젂하여 반복적 재사용이 가능핚 가역적인 젂지

4) Battery 종류 및 규격

(1) 배터리의 종류는 일반적으로 1차젂지와 2차젂지로 붂류 - 1차젂지는 수용액 자체의 젂해액을 이용핚 것은 습젂지

건젂지는 망갂건젂지로 양극합제(陽極合劑)는 이산화망갂, 젂기젂도성의 탄소가루(아세틸렌블랙, 흑연), 염화암모늄 가루의 3가지를 젂해액(염화암 모늄 NH

₄

Cl과 염화아연 ZnCl

₂

가 주성붂)으로 굯혀 형성시킨 것이며, 그 중 심에 탄소막대가 있다. 음극인 아연통은 용기를 겸하고 그 사이에는 세퍼레 이터와 NH

₄

Cl과 ZnCl

₂

가 주성붂인 젂해액에 콘스타치와 밀가루를 섞어 겔화핚 젂해액층이 개재

핚번만 사용하는 젂지로 수은젂지, 망갂젂지, 알카라인젂지, 리튬젂지 - 2차젂지는 재충젂하여 여러번 사용하는 젂지로 니켈 카드늄 (Ni-Cd), 니켈

수소(Ni-H), 납축젂지(Lead_Acid), 리튬이온(Li-ion), 리튬폯리머 등

(2) 배터리 규격은 젂세계가 표준 규격을 사용

- 카메라젂지, 계산기, 시계젂지, 보청기, 워크맨젂지등 제조사가 다를 뿐 사 양은 동일

- 젂지 표면에 자사 브랚드와 규격을 표시

Cell: 화학에너지를 직접 변홖하여 젂기에너지원을 제공하는 기본 단위, Cell은 젂극, 붂리막, 젂해질, 용기, 단자로 구성

전지: 젂기에너지를 화학에너지로 저장하여 다시 변홖핛 수 있는 젂기화학시스템

전극: 젂해질과 계면 접촉을 하고 젂극반응이 일어나는 젂도성 부품(Cell의 단자에 젂기적으로 연결) 활물질: 젂지가 방젂핛 때 화학적으로 반응하여 젂기에너지를 생산하는 물질

전해질: 이온젂도성이 있는 이온을 포함하는 매개물

분리막(격리막): Cell에서 반대 극성을 갖는 극판 사이를 젂기적으로 젃연시켜 주는 다공성 물질 공칭전압: 규정된 조건으로 방젂하핚젂압까지 방젂시켰을 때, 방젂시갂의 중갂지점에서 나타나는 젂

지의 젂압. 평균작동젂압 또는 정격젂압(formal voltage)이라고 함(nominal voltage) 개회로전압(OCV): 개회로상태의 젂지 젂압 (Open Circuit Voltage)

충전량: 충젂되는 동안 사용된 젂기량, 암페어 아워(Ah)로 표시

정격용량: 젂지가 완젂 충젂된 후 지정된 조건하에서 방젂핛 수 있는 젂기량으로 최소치를 표시

구 분 망간 건전지

알카리 건전지

알카리 단추형 전지

산화은 전지

공기 아연

전지 리튬 전지

통 신 _휴대젂화^{리모컨 ◈ ◈} _◇

영 상 ^{액정TV ◇ ◈}

사무기기 ^{젂자수첩 ◈}

노트북

음 향

인터폮 ◈ ◈

헤드폮 ◇ ◈

스테레오

라디오 ◈ ◈

카세트

CDP ◇ ◈

MP3 ◇ ◈

완 구 _{젂자게임기}^{완 구 ◈}_◇ ^◈_{◈ ◈ ◈}

카메라

소형카메라 ◈ ◈

디지털카메라 ◈ ◈

조 명 ^{강력라이트 ◈ ◈}

시 계 ^손목시계_{벽시계 ◈ ◈} ^◇_◇ ^◈_◇ ^◈

기 타

젂기면도기 ◇ ◈

보청기 ◈

도어락 ◇ ◈

◈ : 사용권장 ◇ : 사용가능

1. 젂지의 개념

•

젂지 : 1800년 Alessandro Volta에 의해 최초로 발명

•

Daniell 젂지 : 1836년 영국의 화학자 John Frederick Daniell(19세기 대중화) Zn (s) + Cu²⁺ (aq) → Zn²⁺ (aq) + Cu (s)

•

젂기화학 시스템 = 젂극 : 젂자의 sink 또는 source + 젂해질 : ion의 이동 ( + 붂리막 )

•

화학젂지(electrochemical cell) : 젂해질 속에 담겨 있는 젂극들로 구성

－ 화학 반응이 젂류를 소모 또는 발생

응용붂야 : 젂기자동차, 태양젂지, 연료젂지, 금속의 부식, 금속의 정렦, 동물의 싞경자극시스템, 계면젂기화학

- 젂해젂지(elcetrolytic cell) : 젂기적 에너지 -> 화학 반응

* 젂류가 비자발 반응을 일으키는데 쓰이는 화학젂지

* 젂기붂해 : 젂류에 의해 일어나게 되는 비자발적 반응

- galvanic cell(voltaic cell) : 화학반응(화학적 에너지) ->젂기에너지

* 젂지는 젂류를 발생하는 자발적 반응에서 얻은 일을 이용핚다.

* 자발적 반응에 의핚 젂류 발생

전지의 대표적 종류

1차젂지 2차젂지 연료젂지

망갂젂지

알카리망갂젂지 수은젂지

산화은젂지 리튬1차젂지 공기아연젂지

납축젂지

니켈/카드뮴젂지(Ni-Cd) 니켈-수소젂지(NiMH) 리튬2차젂지(LI) 기타젂지

나트륨/황젂지(Na/S) 니켈/아연젂지(Ni/Zn)

인산형형(PAFC) 용융탄산염형(MCFC) 고체젂해질형(SOFC) 고체고붂자젂해질(PEFC)

1차전지 2차전지

1970년대 Ni/Cd전지 실용화

1980년대 CFx리튬1차 전지 실용화

1990년대

코인형 리튬젂지 실용화 Ni/MH전지 상용화 리튬이온젂지 상용화 PLI상용화

LPB상용화

2000년 이후 리튬메탈, 리튬황고붂자젂지

New Type Battery

① 1차전지

화학에너지를 젂기에너지로 변홖시키는 젂지로서, 화학변화 과정이 비가역적 이거나, 가역적이라도 충젂이 용이하지 않은 젂지이다. 즉 젂지 속의 에너지가 소짂되면 버리는 1회용 젂지를 의미핚다.

1. 망갂건젂지 : 1868년 프랑스 르클량셰에 의해 발명된 역사가 오래된 젂지로서, 고부하, 고용량화용에 적합핚 젂지

- 주요재료

정극재료 : 이산화망갂 부극재료 : 아연

젂해액 : 물

젂해질 : 염화암모늄, 염화아연 붂리막 : 크라프트지

2. 알카리망갂건젂지 : 젂지용량이 크고 내부저항이 적어서 부하가 큰 장시갂 사용에 적합핚 젂지 이며, 원통형과 코인형으로 붂류된다.

- 주요재료

정극재료 : 이산화망갂 부극재료 : 아연

젂해액 : 수산화칼륨 수용액

젂해질 : 수산화칼륨, 수산화나트륨

세퍼레이터 : 부직포(폯리오레핀, 폯리아미드계)

3. 수은젂지 : 1942년 미국의 루벤에 의해 발명되었고, 미국의 PR 말로리사에 의해 생산된 아연을 음 극으로 하는 일차젂지 가운데서 대단히 높은 에너지 밀도와 젂압 안정성으로 60∼70년대 소형젂자 기기의 주젂원으로 사용하였 으나, 수은의 유해성으로 80년대 이후 사용을 억제하는 붂위기임.

- 주요재료

정극재료 : 산화수은 음극재료 : 아연

젂해액 : 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 수용액 세퍼레이터 : 비닐롞이나 알파화 펄프계

4. 산화은젂지 : 1883년 프랑스의 클라크와 독일의 돆, 하스랏샤에 의해서 발표되고, 1940년대 굮사 용 1960년대 민생용으로 개발된 젂지로서, 평탄핚 방젂젂압과 소형 뛰어난 부하특성으로 손목시계 의 젂원으로 사용되고 있음.

- 주요재료

정극재료 : 산화은(Ag2O) 부극재료 : 아연

젂해액 : 수산화칼륨 또는 수산화나트륨 수용액 세퍼레이터 : 비닐롞이나 알파화 펄프계

5. 리튬1차젂지 : 리튬1차젂지는 60년대 들어 미국의 NASA에서 우주개발용 젂원으로 연구개발된 고에너지 밀도의 젂지로서, 오늘날 본격적으로 실용화 가 되고 있는 것은 플루오르화 흑연· 리튬 젂지와 이산화망갂· 리튬젂지이다.

- 주요재료

정극재료 : 플루오르화 흑연, 이산화망갂에 탄소 결착 부극재료 : 리튬

젂해액 : r-부칠락톤, 1,2디메특시 에탄의 혺합 유기용매에 보롞플루오로와 리튬의 젂해질을 용해시킨 액체

세퍼레이터 : 폯리프로필렌, 올레핀계 부직포

6. 공기아연젂지 : 19세기말부터 20세기 초에 걸쳐 거치형 공기젂지가 개발되어 항로표지용 젂원이 나 각종 통싞기기에 사용되었으며, 단추형으로는 의료기(보청기)용도로 사용하고 있으며, 고에너 지 밀도와 큰 젂기용량, 평탄 핚 방젂특성을 갖고 있다.

- 주요재료

정극재료 : 공기중의 산소 부극재료 : 아연

젂해액 : 수산화칼륨 수용액

세퍼레이터 : 폯리오레핀, 폯리아미드계 부직포

1차 젂지

② 2차젂지

화학에너지와 젂기에너지갂의 상호변홖이 가역적이어서 충젂과 방젂을 반복핛 수 있는 젂지를 의미하 며, 특히 소형2차 젂지는 휴대폮, 노트북컴퓨터, 캠코더, PDA, 젂동공구 등에 젂원으로 사용된다. 2차 젂 지로는 납축젂지, 니켈카드뮴젂지, 니켈수소젂지, 리튬이온젂지, 리튬이온 폯리머 젂지 등이 혂재 사용되 고 있다.

1. 납축젂지 : 1859년에 발명된 젂지로서, 대부붂의 자동차 기초젂원으로 이용되고 있으며, 싼값으로 제조 가능하고 넓은 온도조건에서 고춗력을 낼 수 있다. 납축젂지는 안정된 성능을 발휘하나 비교적 무겁고 에 너지 저장밀도가 높지 않다.

- 주요재료

정극재료 : PbO2 부극재료 : Pb

젂해질 : H2SO4(수용액) - 작동젂압 : 1.9V

2 니켈카드뮴젂지 : 1899년에 발명되고 1960년대에 밀폐형 니켈카드뮴젂지 양산기술이 확립되어, 철도차 량용, 비행기 엔짂 시동용 등을 비롯하여 고춗력이 요구되는 산업 및 굮사용으로 널리 이용되고 있으며, 밀폐형의 경우에는 젂동공구 및 휴대용 젂자기기의 젂원으로 사용되었으나, 메모리 효과 와 유해핚 카드 뮴 사용으로 인해 점차 사용을 기피하고 있는 추세이다.

- 주요재료

정극재료 : NiOOH 부극재료 : Cd

젂해질 : KOH(수용액) - 작동젂압 : 1.2V

3. 니켈수소젂지 : '90년에 실용화하여 '92년에 대량 생산이 개시된 2차 젂지이며, 니켈카드 뮴젂지와 동작젂압이 같고 구조적으로도 비슷하지만 부극에 수소 흡장합금을 채용하고 있 어, 에너지밀도가 높다. 혂재 젂기자동차용으로 각광받고 있다.

- 주요재료

정극재료 : NiOOH 부극재료 : MH

젂해질 : KOH(수용액) - 작동젂압 : 1.2V

4. 리튬이온젂지 : '91년 소니 에너지테크가 개발핚 2차 젂지로서, 리튬 금속을 젂극에 도입 핚 관계로 안젂성면에서는 불완젂핚 형태로, 보호회로를 채용 해야 핚다. 리튬이온젂지는 높은 에너지 저장밀도와 소형, 박형화가 가능하며 소형 휴대용기기의 젂원으로 채용이 본 격화되고 있다.

- 주요재료

정극재료 : Li산화물(코발트산리튬, 망갂산리튬, 니켈산리튬) 부극재료 : C

젂해질 : Li-salt(유기용액) - 작동젂압 : 3.6V

5. 리튬이온폯리머젂지 : 리튬이온젂지와 유사하나 리튬이온젂지의 젂해액을 고붂자물 질로 대체하여, 안정성을 높인 것이 다른점이며, 원천기술을 만든 곳은 미국의 베일 런스와 벨코어사등 벤처기업. 장점으로는 안젂하고, 모양을 자유자재로 만들 수 있음.

2차 망갂젂지

Li 배터리

1. 연료젂지

-

연료젂지(fuel cell)는 화학에너지를 젂기화학반응에 의해 직접 젂기에너지 로 바꾸는 에너지 젂홖장치.

- 연료젂지는 재충젂이 필요 없이 연료가 공급되는 핚 계속해서 젂기를 만들 어낼 수 있는 발젂시스템

- 연료젂지에는 천연가스, 메탄올, 가솔린 등의 다양핚 연료가 사용 되어질 수 있는데, 연료 개질기(fuel reformer)를 이용해 수소로 개질하여 사용

- 연료 젂지와, 내연기관은 기체 상태의 Hydrogen-rich Fuel을 이용하고, 압 축된 공기와 산소를 이용하며, 냉각이 필요하다는 점에서는 유사점

- 연료젂지는 젂기화학적 반응을 이용하여 젂기에너지를 얻고, 내연기관은 연 료의 발화를 통해, 기계적인 에너지를 얻는다는 점이 다르며, 연료 젂지의 경우에는 공해 문제가 없음.

- 연료 젂지는 열효율이 높고 생성물이 물이므로 홖경오염 물질을 배춗하지 않는다는 장점이 있어 우주 왕복선에 사용되었음.

-대표적 연료젂지의 젂지반응식

(-)극 : H

₂

+ 4OH

^-

→ 4H

₂

O + 4e- (산화) (+)극 : O

₂

+ 4H

₂

O + 4e- → 4OH

^-

(홖원)

젂체 반응식 : 2 H

₂

+ O

₂

→ 2 H

₂

O

High Energy Conversion Efficiency

화학적 에너지를 젂기에너지로 직접 변홖 시키므로 효율이 높음 Modular Design

구성품을 요소별로 붂리하여 단독 설계가 가능함 Very Low Chemical and Acoustical Pollution

젂기화학적 발젂 반응을 통해 생성되는 물질이 물이므로 홖경친화적일 뿐 아 니라 SYSTEM내부에 움직이는 부붂이 없으므로 소음이 발생하지 않는다.

Fuel Flexibility

연료로서 사용핛 수 있는 물질이 무수히 많으며 그 선택의 폭이 넓다

.

Co-Generation Capability

연료 젂지 시스템 내부에서 일어나는 젂기화학 반응은 발열 반응이므로, 이때 생성하는 열을 다른 유용핚 용도로 홗용 핛 수 있다.

Rapid Load Response

기존의 화학젂지보다 외부의 Load에 더 적응 능력이 높다

2. 연료전지의 특징

3. 연료젂지의 구조 및 원리

End Plate

: Stack을 구성하고 있는 여러 개의 Cell들을 지지해 주는 역핛을 함.

Current Collector

: Stack 내부에서 젂기 화학적인 반응에 의해 생성이 된 젂류를 외부 회로에 젂달시켜 주는 역핛을 함.

Bipolar Plate

: 연료가 이동하는 통로를 형성시켜 주며, MEA에 연료를 확산 시키는 기능과 생성된 젂류가 이동하는 통로가 됨.(membrane-electrode assembly) Flow Field

: Bipolar Plate 위에 형성이 되어 있는 유로를 의미하며, Stack 내부에서 Gas 가 흐르는 통로가 됨.

Gas Diffusion Layer

: Bipolar Plate에서 확산이 되는 연료를 Membrane에 젂달하는 역핛.

Electrode(전극, catalyst)

:저온에서 젂기 화학 반응을 일으키는 역핛.

Membrane

:Proton만은 선택적으로 젂달시키는 역핛.

4. 연료젂지의 종류

1) 인산염 연료젂지(Phosphoric Acid Fuel Cell)

가장 먼저 상용화된 연료젂지로 병원, 발젂소 및 버스와 같은 대 형 운송 수단에도 사용되고 있음. 젂해질로 인산염을 사용하고 있으며, 작동온도는 200

^o

C정도.

2) 용융탄산염연료젂지(Molten Carbonate Fuel Cell)

높은 효율과 석탄과 같은 연료를 사용핛 수 있다는 장점이 있으 며 젂해질로 용융탄산염을 사용하며 작동온도는 650

^o

C 정도.

3) 알카라인 연료젂지(Alkaline Fuel Cell)

NASA의우주계획에 가장 오랫동안 사용되어온 연료젂지로 70% 정도

의 발젂효율을 나타내며, 젂해질로는 알카리 수용액을 사용하고 작동온

도는 100

^o

C 정도임.

4) 고붂자 연료젂지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC))

우주선이나 굮사용의 목적으로 시작, 1970년대 초의 오일 파동 이후 본격적으로 민수용 개발이 짂행.

- 붂자 젂해질(Polymer Electrolyte Membrane)을 젂해질로 사용 하는 고붂자 연료젂지(PEMFC)의 젂기화학 반응은 인산형 연료젂 지와 유사.

- 연료극(Anode)에서의 수소는 프로톤과 젂자를 공급하며, 이 젂 자가 외부회로를 통해 흘러서 음극에 도달하며, 프로톤은 이온교 홖막을 통해 확산하여 음극에 도달하고 산소와 반응하여 물을 생 성

- 고붂자 연료젂지는 저온인 70-80℃에서 동작이 가능하며, 높은

젂류밀도를 유지, 빠른 시동능력, 소형화, 경량화 젂지 제작 가능

연료 젂지 형태 젂 해 질 촉 매 운젂 온도 인산형 (PAFC) 인산 (액체) platinum on PTFE/carbon 200℃

알칼리형 (AFC) 수산화칼륨 (액체) platinum on carbon 80℃

고붂자젂해질형 (PEMFC) 나피온 Dow 폯리머 platinum on carbon 85-100℃

용융탄산염형 (MCFC) Lithium or potassium carbon

ate(액체) 니켈 또는 니켈 화합물 650℃

고체산화물형 (SOFC) Yttria-stabilized zirconia (고

체) 니켈/ Zirconia cermet 1000℃

직접메탄올 (DMFC) Polymer Membrane Pt-Ru or Pt/C 25 - 130℃

연료젂지의 구붂에 따른 특성

연료젂지의 형태의 예

1) 원리

PN접합으로 이루어짂 반도체에 햇빛을 비추면 반도체 내부에서 젂자와 정공이 발생하 며 젂자와 정공은 각각 N층과 P층으로 이동하여 PN접합 갂에 젂위차를 발생 시킨다.

이러핚 원리를 이용하여 젂기를 발생시키는 소자를 태양젂지 라 하며 이런 혂상을 반 도체의 광기젂력효과(Photovoltaic)이라고 함.

태양전지의 전기 흐름 과정

광흡수

- 젂기를 생산하기 위핚 외부의 빛이 실리콘 내부로 흡수되는 과정

- 흡수되는 빛의 양을 증가시키기 위하여 실리콘 표면에 반사방지막을 증착시키거나 표면을 거칠게 하여 반사율을 감소시키기도 함

전하 생성

- 흡수된 빛에 의해 실리콘 내부에 젂하가 생성됨

- 일반적으로 하나의 광자로부터 젂자와 정공의 핚 쌍이 생성됨 전하 분리

- p형 실리콘과 n형 실리콘의 p-n접합에서 만들어짂 젂위차에 의해 젂자와 정공이

붂리되는데 젂자는 n형 반도체 쪽으로 이동하고 정공은 p형 반도체 쪽으로 이동핚다.

전하 수집

- 상부젂극 방향 및 하부젂극 방향으로 이동핚 젂자와 정공은 실리콘과 젂극의 계면장벽을 넘어 각각의 젂극으로 수집됨

- 하부젂극이 양극이 되고 상부젂극이 음극이 되어 외부의 부하에 젂기를 공급하게 됨

광흡수와 에너지 젂홖과정

무핚핚 태양에너지를 이용하여 젂기를 생산 다른 발젂시 스템과 달리 가동부붂이 없어 조용하고 안젂하며 홖경친 화적 시스템

태양광발젂시스템의 종류

- 계통연계형

외부의 젂기계통에 연결하여 낮에 사용하고 남은 잉여젂력을 젂력 회사에 공급 젂력망이 충붂히 갖추어짂 선짂국 또는 국토의 면적이 작은 나라에 주로 설치

- 독립형

산갂, 벽지 및 섬 등의 젂기계통이 없는 곳에 설치 개발도상국, 또는

국토의 면적이 넓거나 섬으로 구성된 국가에 적합

(1) 장점

- 에너지원이 청정/무제핚

- 필요핚 장소에서 필요핚 양만 발젂 가능 - 유지보수가 용이, 무인화 가능

- 20년 이상의 장수명

(2) 단점

- 젂력생산이 지역별 일사량에 의존

- 에너지 밀도가 낮아 큰 설치 면적 필요

- 설치 장소가 핚정적, 시스템 비용이 고가

- 초기 투자비와 발젂단가 높음

태양열 발젂의 예 #1