1 장 연료전지 서론

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1 장 연료전지 서론

충북대학교

6 주차

(2)

• 연료전지와 전기화학

• 연료전지란 무엇인가 ?

• 어떻게 작동하는가 ?

• 연료전지의 장점과 단점

Chapter 1. 연료전지

서론

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서론

차원석 『 연료전지개론 』 한티미디어 , 2008 년

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• 연료전지 : 연료 공급하여 전기 생산하는 공장 - 화학에너지 ( 연료 ) 를 전기에너지로 전환

• 내연기관 : 화학에너지 ( 연료 ) 를 기계적 에너지 또는 전기 적 에너지로 변환하는 화학공장

-H

2

+1/2O

2

⇔ H

2

O

- 수소분자 , 산소분자 충돌 - 물과 열 방출

- 생성된 물 결합에너지 < 초기상태 수소 , 산소 결합에너지 - 열에너지⇒ 기계적⇒ 전기에너지 변환 ( 복잡 , 비효율 )

연료전지 : H

2

와 O

2

반응물을 공간적으로 분리되는 화학 반응으로부터 직접적으로 전기 생산

1.1 What is fuel cell?

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1.1 What is fuel cell?

(6)

• (1) 수소원자 멀리 있음 ⇒ 화합결합 없고 , 에너지 준위 높음

• (2) 수소원자 접근 ⇒ 안정한 화학결합 , 에너지 준위 낮아짐

• (3) 원자거리 더 좁아짐 ⇒ 원자핵 반발력 지배적 , 불안정한 상태

1.1 What is fuel cell?

(7)

• 두 전기화학 반쪽반응

anode : H

₂

⇔ 2H

⁺

+ 2e

^-

cathode : 1/2O

₂

+2H

⁺

+2e

^-

⇔ H

₂

O

• 산화반응생성 전자 외부회로를 통해 흐름

• 전하 - 전해질을 통해 전달

• 최초 연료전지 -William Grove(1839) - 황산용액의 두 개 백금전극 구성

• 에너지 (J or cal), 에너지 밀도 (J/m

³

)

• 전력 (W(J/s)), 전력밀도 (W/m

³

)

• 에너지 = 전력 * 시간 (Wh, kWh)

1.2 연료전지의 기본 원리

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1.2 연료전지의 기본 원리

(9)

• 연료 공급되는 한 전기를 생산하는 공장

• 연소기관과 전지의 장점

• 고효율 ( 화학에너지 ⇒ 직접전기 발생 )

• 움직이는 구성품 없음 ( 무음 )

• 높은 신뢰성 , 지속성 , 정숙성 시스템

• 대기오염 (NO

_x

, SO

_x

) 배출 없음 NO

_x

, So

_x

• 분진 배출물 없음

• 전력과 용량의 독립적인 선택 ( 전지와 차별성 )

• 고 에너지 밀도 , 빠른 재충전

1.3 연료전지 장점

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• 실용화의 가장 큰 장벽 가격

• 휴대용 전원 및 자동차 동력원용 전력밀도 향상

• 연료 이용성 및 저장성 ( 예 : 수소 저장 , 체적당 에너지 밀도 )

• 다른 연료 사용시 개질 필요 , 성능 , 효율 감소 및 부수적인 장치 필요

• 작동온도의 호환성 , 외기에 의한 피독성

• 시동 - 정지 사이클의 내구성 문제

1.4 연료전지 단점

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1.4 연료전지 단점

(12)

1.4 연료전지 단점

(13)

• In H

2

-O

2

SOFC, 전해질 - 세라믹 막 , 전하운반체 -O

2-

• 전기화학 반쪽반응

anode : H

2

+O

2-

→ H

2

O+2e

^-

cathode : 1/2O

2

+2e

^-

→O

2-

1.5 연료전지의 종류

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• 전류 ⇒ 반응물 , 전극 , 전해질 만나는 반응면적크기 비례

• 에너지원인 연료를 전자의 흐름으로 변환 전기 생산

• 전극 : 고 비표면적 , 다공 성 , 기체접촉 용이

• 연료 공급 ( 산화 극 , Anode)= 산화반응 , 전자 생성

• 공기공급 ( 환원 극 , cathode)= 환원반응 , 전자 소멸

• 1 단계 : 연료전지 내부로 반응물 전달

• 2 단계 : 전기화학반응

• 3 단계 : 전해질을 통한 이온의 전달 외부회로 전자전달 n

• 4 단계 : 연료전지로부터 생성물 제거

1.6 연료전지의 기본적인 작동

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1.6 연료전지의 기본적인 작동

(16)

1.6 연료전지의 기본적인 작동

(17)

연료전지의 출력 : P=iV V=E

ther

-η

act

- η

ohmic

- η

conc

연료전지의 3 가지 주요 손실

1. 활성화 손실 : 전기화학 반응에 의한 손실 2. 저항손실 : 이온과 전자 전도에 의한 손실 3. 농도손실 : 물질전달에 의한 손실

연료전지 : 전력밀도가 최고점이나 그 이하에서 작동하 도록 설계 ( 전압효율 향상 , 전력밀도 감소 )

1.7 연료전지 성능

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1.7 연료전지 성능

(19)

1.7 연료전지 성능

(20)

• 연료전지 : 전기화학 에너지 변환장치

• 연료전지는 고갈되지 않는다

• 연료전지는 분리된 두 개의 전극 ( 산화극 , 환원극 ) 이 있어야 한다 .

• 연료전지의 출력은 그 크기에 의해 결정된다 .

• 연료전지는 전해질과 작동온도에 따라 분류 PEMFC, PAFC, AFC, MCFC, SOFC, DMFC

단원요약 정리

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• 산화는 전자를 분리 하는 반응 , 환원은 전자를 소모하는 반응

• 산화는 산화극 , 환원은 환원극

• 네 가지 주요 단계 (1) 반응물 이동 , (2) 전기화학 반응 , (3) 이온전도 , (4) 생성물 제거

• 연료전지 성능은 전류 - 전압 곡선으로 평가

• 이상적인 연료전지의 성능은 열역학으로 정해진다 .

• 손실의 주요 원인 : (1) 활성화 손실 , (2) 저항손실 , (3) 농도손실