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에너지원 및 에너지 변환 장치의 변천

나무 에너지 시대

석탄 에너지 시대

석유 에너지 시대

수소 에너지 시대

증기기관

내연기관

연료전지

수소에너지와 연료전지 기술의 중요성

가채량 제한 지구온난화/공해

NIMBY 현상 에너지수요의 고급화

21세기

에너지 경제 구조

무한에너지 청정에너지 재생에너지

수소 에너지

수소에너지 : 가시권에 있는 인류 에너지 문제의 유일한 대안(수소경제)

연료전지 : 수소에너지 활용기술의 핵심기술

미국 비전 21 및 세계 유수기관 선정 21세기 10대 핵심기술 중 하나

화석에너지

경제구조

수소 제조기술 및 연료전지 기술의 계통도

화 석 연 료

천연가스

수 증 기 개

질

수소

물

전 기 분 해

열 분 해

석탄 석유 잔사유

태양열

Bio 태양광

풍력

대 체 에 너 지

발전소 제철소

화학적수소저장 (CO₂)

물리적 수소저장 (합금, LH₂, CNT) 석유화학 대체연료

청정 자동차 연료

연료전지

열 분 해

가 스 화

가솔린개질

연료전지 발전소

이동전원 연료전지 자동차

CO₂

Background

연료전지의 역사

년도 내 용 1801 데뷔경 (영국) 고체연료 → 전기에너지 발생

1839 그로브경 (영국) 캐소드, 애노드백금, 전해액 묽은황산, 연료전지 최초 실증

1960 NASA (미국) 우주용 전원, 아폴로 계획 연료전지 사용

1965 GE사 (미국) PEFC 탑재한 제미니5호 연료전지 실용화 1호 1970-

1980

세계각국 에너지 위기, 환경파괴문제 대두

→ 효율높은 에너지 시스템

1990 세계각국 연료전지의 소형화 고출력 – 자동차, 가정용 전원 1997 일본 이산화탄소 배출규제

1999 일본 도쿄모터쇼 연료전지 자동차 개발 추진

Fuel Cell

Electrolysis vs. Fuel Cell

Fuel Cell Structure

연료전지의 주요기술 분야

기술종류 전해질

(Electrolyte)

이온의 종류

운전온도 (℃)

사용연료 연료 산화제 인산형 연료전지

(Phosphoric acid FC)

인산형

(액체) Proton 190-210 H₂ O₂

용융탐산염 연료전지 (Molten Carbonate FC)

Carbonate Salt (액체)

Carbonate

ion 630-650 H₂

CO CO₂+O₂ 고체산화물 연료전지

(Solid Oxide FC)

세라믹

(고체) Oxygen ion 800-1000 H₂

CO, HC CO₂+Air 고분자 전해질 연료전지

(Proton Exchange Membrane FC)

Polymer Membrane

(고체)

Proton 50-80 H₂ O₂

직접메탄올 연료전지 (Direct Methanol FC)

Polymer Membrane

(고체)

Proton 상온~80 메탄올 O₂

Calculation of Electric Power

Fuel Cells : Advantages

Fuel Cell Efficiency

Applications

Direct Methanol Fuel Cell

직접 메탄올 연료전지의 특성

연료전지의 제조

MEA & Cell Fabrication

Electrode

촉매의 구조

Fuel Reformer Gas Clean-up

Unit Stack

Power

Heat

Fuel Processor Fuel Cell Product

· Methanol

· LNG

· LPG

· Gasoline

· Diesel

· Steam Reformer (STR)

· Partial Oxidation (POX)

· Auto Thermal Reformer (ATR)

· Water Gas Shift Reaction (WGS : HTS, LTS)

· Preferential Oxidation (PROX)

· Metal Membrane (CMM)

· Pressure Swing Adsorption (PSA)

· PAFC

· PEMFC

· AFC

· SOFC

· MCFC

· DMFC

Fuel Cell System

Water Gas Shift Reforming

Unit

Fuel

H2O and/or O2

LTS HTS H²

CO CO² H²O

POX & STR

O²

PROX

H²

H²O

CO²

PEM Fuel Cell

 Reforming reaction

CH

+ 1/2O

 CO + 2H

(Partial Oxidation) … (A) CH

+ H

O  CO

+ 3H

(Steam Reforming) … (B)

 Water Gas Shift Reaction

CO + H

O  CO

+ H

…….. (C)

 Preferential Oxidation

CO + 1/2O

 CO

………….. (D)

1% CO 10 ~ 100 ppm CO

Basics of Fuel Processing Technology

시스템 구성 개요

천연가스 개질 반응 특성

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ , ∆H = + 206 kJ/mol CH₄ + 1/2O₂ → CO + 2H₂ ,

∆H = - 36 kJ/mol CH₄ + 1/2O₂ → CO + 2H₂ ,

∆H = - 36 kJ/mol CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ ,

∆H = + 206 kJ/mol

Reaction

GE-Power System division<USA>

HyRadix Technology<USA>

Johnson Matthey-Fuel Cells division<UK>

Nuvera Fuel Cell<USA>

HydrogenSource<USA>

SOFCo-EFS<USA>

Tokyo Gas, Osaka Gas<Japan>

Harvest Energy Technology Inc.<USA>

IdaTeck, InnovaTek<USA>

Hydrogenics Corp.<Canada>

Company(연료전지 관련)

40~50 % - Balance of STR & POX

ATR

30~40 %

- Fast start-up

- Good load-following

- Small & simple reactor POX

65~75 %

- Slow start-up

- Poor load-following

- Big & complicate reactor

STR

Hydroge Purity n Property

Process

개발의 필요성

1. 기술적

 저 에너지형 수소 개질 제조 장치 개발

 고효율 금속 단일체형 촉매 시스템 개발

2. 환경적

 지속적 CO₂ 저감 기술

 폐 촉매 발생량 감소

 에너지 생산 후 공해물질 미 배출

3. 경제적

 이동 형, 발전 형 연료전지 수요분야 확대

 10%의 연료절감 효과

 수소 공급 인프라 구축 부담 해소

 수소에너지의 부정적 인식과 안정성 해결

개질기 기술 개발

I. 컴팩트형 수소 제조 장치

1. 빠른 응답성의 개질 반응 기(POX,ATR,STR ) 2. 일원, 이원 일체형 촉매체

II. 일체형 촉매체 제조 기술 1. 개질 반응용 최적 촉매체 개발 2. 코팅용 최적 촉매 슬러리 제조 3. 촉매 코팅 기술 개발

III. 운전 조건 및 설계 자료 산출 1. 연료의 개질반응용 최적 운전 조건 산출

2. 열교환기 일체형 질 반응용 수소제조장치 설계 자료 산출

3. 산출 자료에 대한 데이터 베이스화

개질기 개발의 핵심 기술

 반응성

- 반응활성 및 안정성이 높은 새로운 개질 촉매 개발 - 저온 활성 및 내구성의 전이반응 촉매 개발

- 온도 창이 넓은 선택적 산화 촉매 개발 - 기존의 상용 촉매의 활성 향상 개발

 설계 및 운전

- 시스템 통합 운전 기술 개발

- 신속한 기동과 빠른 부하 응답 특성 - 열 및 시스템 통합 분석 및 설계

 열적 능력에 대한 평가

- 고효율 소형 열교환기 설계 및 제작 기술

- 액체 연료 사용시 충격에 대한 내열충격성 확보 기술 - 최적의 열원(버너 or 촉매 연소) 적용 기술 개발

- 소형화시 최소 에너지 손실을 위한 촉매체 전단에 대한 균일 가열 기술

Metallic Monolith Catalyst

 소형 리포머를 위한 Compact화 기술의 핵심

 Metallic Monolith의 특징

- 우수한 열 전달 능력 - 전기적 특성

- 우수한 내열충격성 - 우수한 성형성

- 개발된 표면 처리 기술에 의한 다양한 응용성

 기존의 문제점

- 무기질 촉매체와 금속 지지체(Metallic Monolith)의 약한 결합력

- 고온의 반응 특성에 적합한 최적의 바인더 부재 - 내열 특성의 금속 지지체(Fecralloy)의 다양성 부재

Metallic Monolith Catalyst

Support Metal Monolithic

Honeycomb Ceramic Honeycomb Cermic ball Photograph

Component materials of support Fe-Cr-Alloy SiO₂-Al₂O₃-MgO Γ-Al₂O₃

Thermal conductivity Large Small Small

Packed density 0.4~0.6 0.6~0.7 0.4~0.8

Heat capacity Small Middle Large

Gas Hourly Space Velocity (hr^-1)

30,000~

60,000

20,000~

40,000

10,000~

30,000

Pressure drop*1 5.5 7.1 41.5

Mechanical strength strong Weak Middle

Resistance for thermal shork strong Weak Middle

*1 : Pressure drop at 1.0Nm/sec of 200℃ air

Flow meter

GC

Gas vent

MFC

Line heater

Condenser

Vent Pump

furnace CH

H

O Air, N

MFC

H

Schematic diagram of the Reformer

기대 효과 및 활용 방안

분산형 전원 및 소규모 발 전시설의 수소 제조 장치

적용 가능

개질 장치

이동형 연료전지 시스템 on-board 적용 및 연료

소비량 절약 수소스테이션용 개질

시스템에 적용

환경 친화적 기술로 기후 변화협약에 대한 지속적인

대응 가능

Chungbuk National

 Configuration of Possible Fuel Cell Vehicle

Motor Controller

Hydrogen Storage

Fuel Cell Stack

Peak Battery

Motor Generator

Gear

Fuel Processor

Fuel Cell Stack

Peak Battery

Motor Generator

Gear

Gasoline Storage

Motor Controller

 Hydrogen on-board storage  On-board Fuel Processor

배터리와 연료전지의 에너지 효율 비교

Stored Electrochemical Energy (Whr)

Fuel Cells By mass(Wh/kg) by volume(Wh/L)

Decalin (C₁₀H₁₈) 2,400 2,100

Liq-H₂ 33,000 2,500

LiBH₄·4H₂O 2,800 2,500

Solid Metal Hydride(LaNi₅H₆) 370 3,300

Methanol 6,200 4,900

Recharge able Batteries

Lead Acid 30 80

Nickel-Cadmium 40 130

Nickel-metal hydirde 60 200

Lithium-ion 130 300

휴대용 연료전지의 개발현황

혼마 타쿠야, 『전기화학』, 교보문구, 2007

휴대용 연료전지의 개발현황

혼마 타쿠야, 『전기화학』, 교보문구, 2007

휴대용 연료전지의 개발현황

혼마 타쿠야, 『전기화학』, 교보문구, 2007

휴대용 연료전지의 개발현황

혼마 타쿠야, 『전기화학』, 교보문구, 2007