연료전지 종류별 특징 V – 종류별 종합비교
8주차
대구가톨릭대학교 에너지신소재공학과 한윤수
■ 과목명: 연료전지이론
목 차
1. 연료전지별 특성비교
2. 연료전지별 응용분야
1. 연료전지별 특성 비교
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연료전지이론■ 연료전지의 종류별 핵심 소재 및 산화환원 반응 1. 연료전지별 특성비교
전해질 & 매트릭 스 일체형(SO
3H 기를 갖는 불소 계 고분자)
고체전해질 고체전해질
고체전해질
전해질 & 매트릭 스 일체형
전해질 & 매트릭 스 일체형(SO
3H 기를 갖는 불소 계 고분자) 석면 매트릭스에
KOH를 함침 Silicon carbide
매트릭스에 인산 을 함침
0.1 μm 기공을 갖는 Lithium aluminate (LiAlO
2) 에 탄산염을 함침
전해질 매트릭스
※ Platinum black (Pt black) is a fine powder of platinum with good catalytic properties. The name of platinum black is due to its black color. Platinum black powder is used as a catalyst in proton exchange membrane fuel cells. In common practice, the platinum black is either sprayed or hot pressed onto the membrane or gas diffusion layer. A suspension of platinum black and carbon powder in ethanol-water solutions serves to optimize the uniformity of the coating, electrical conductivity, and in the case of application to the membrane, to prevent dehydration of the membrane during the application.
150~200℃ 90~100℃ 600~700℃ 600~1000℃ 50~100℃ 20~90℃
연료전지 전해질 시스템출력 발전효율 (%)
열병합 발전효율(%)
주 작동 온도 (℃)
적용 장점 단점
고분자전해질 또는 양성자 교환박막형 (PEM; Polymer
Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane)
고분자 이온 교환막(Nafion)
1~250 kW 이하
53~58 (수송용) 25~35 (정치형)
70~90 ( 낮 은 작 동 온 도로 저질폐열 발생)
50~100
비상발전용 휴대용전원 소형 분산발전 수송용(자동차)
-고체 전해질이 부식과 전해질 관리문제 저감 -저온
-빠른 시동
-고가의 촉매 필요
-연료 불순도에 따른 높은 민감성
인산형
PAFC (Phosphoric Acid)
액체인산 (H3PO4)
50 kW~1 MW
(250 kW 모듈) 40 이상 85 이상 150~200 분산발전
-전기와 열병합발전 시 고효율
-연료로 불순정 H2 무방
-백금 촉매 -저전류/저전력 -대형/대 중량 알카라인형
AFC (Alkaline)
수산화칼륨의
수용액(KOH) 10~100 kW 60 80 이상
(저질폐열) 90~100 군사용 우주용
-고성능
-다양한 촉매 사용가능
-고가의 CO2 제거장치 필요
용융탄산염
MCFC (Molten Carbonate)
용융탄산염 (Li2CO3 + K2CO3 수용액)
1 kW~1MW 이하
(250 kW 모듈)
45~47 80 이상 600~700 대형 분산발전 전력계통 사업용
-고효율 -연료 유연성
-다양한 촉매 사용가능 -열병합발전에 적절
-전지부품의 부식과 파손 증가
고체산화물
SOFC (Solid Oxide)
고체전해질 (ZrO2-Y2O3)
1 kW~3 MW
이하 50 90 이하 600~100
0
보조전원 전력계통 사업용 대형 분산발전
-고효율 -연료 유연성
-다양한 촉매 사용가능 -열병합발전에 적절 -고체 전해질이 부식과 전해질 관리문제 저감 -하이브리드/GT 사이클
-전지부품의 부식과 파손 증가
■ 연료전지의 종류별 특징 (I)
1. 연료전지별 특성비교
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연료전지이론■ 연료전지의 종류별 특징 (II)
종류 전해질 동작
온도 촉매 이온
이동 응용/비고
고체 고분자형 (PEMFC)
PEM
(Nafion) 30~100℃ Pt H
+자동차용, 모바일 기기용, 저출력 CHP 시스템 직접메탄올
(DMFC)
PEM
(Nafion) 20~90℃ Pt-Ru H
+저출력으로 장기간 이용하는 휴대용 전자 시스템에 적합 인산형
(PAFC) 100% H
3PO
4약 220℃ Pt H
+다수의 200 kW CHP 시스템에 사용 중
알칼리(AFC) 35~45%
KOH 상온~100℃ Pt, Ni OH
-아폴로와 우주 왕복선 등 우주용으로 사용
용융탄산염형 (MCFC)
62%Li
2CO
3+
38%K
2CO
3약 650℃
Ni, Li-doped
NiO
CO
32-중~대규모 CHP 시스템 MW 용량까지 적합
고체산화물형 (SOFC)
Yttria-stablized
ZrO
2(ZrO
2-Y
2O
3)500~1000℃ Ni O
2-2 kW~수 MW의 모든 크기의 CHP 시스템에 적합
※ 출처: “수소연료전지”, School of Mechanical Engineering, Pusan National University
※ CHP(Combined Heat and Power, 열병합발전 ): 하나의 에너지원으로부터 열과 전력을 동시에 발생시켜 용도별로 적절히 공급하여 에너지 이용 효율의 극대화를 추구하는 시스템
1. 연료전지별 특성비교
효율비교
■ 연료전지의 종류별 해결과제
※ 출처: 장재혁, “대용량 고체산화물 연료전지 기술개발 동향 및 전망“, 삼성전기 발표자료(2009).
1. 연료전지별 특성비교
2. 연료전지별 응용분야
휴대용 가정용 수송용 대형발전
그림 : 홍성안, 포항공과대학교 연료전지 세미나, 2004, p.6.
표 : D.K. Garman et. al., Fuel Cell Report to Congress, 2003, p.20.
2. 연료전지별 응용분야
■ 연료전지 종류별 응용분야 (발전 용량별)
※ 출처: “수소연료전지”, School of Mechanical Engineering, Pusan National University
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연료전지이론쮸부 발전의 200kW PAFC
발전기
도쿄가스의 200kW PAFC 발전기
간사이 발전소의 200kW PAFC발전기
■ 연료전지 종류별 응용분야 (중대형 발전용)
※ 출처: “수소연료전지”, School of Mechanical Engineering, Pusan National University
2. 연료전지별 응용분야 발전용
• 30여년의 개발을 거쳐 2000년대 초반에 발전용 MCFC의 상업화 및 대기업 투자 가속화
• 기본유닛 300 kW 이상 고용량화, MW급 대형화 및 하이브리드 플랜트화 추세
발전용 연료전지 상용화 동향
■ 발전용 연료전지 상용화 동향
2. 연료전지별 응용분야
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연료전지이론한국이 건조키로 한 독일 HDW사의 214급 잠수연료전지
를 내장해 2주까지 물 속에 버틸 수 있다
■ 연료전지 종류별 응용분야 (수송용)
※ 출처: “수소연료전지”, School of Mechanical Engineering, Pusan National University
2. 연료전지별 응용분야 수송용
■ 연료전지 종류별 응용분야 (Fuel Cell Vehicle)
※ 출처: “수소연료전지”, School of Mechanical Engineering, Pusan National University
2. 연료전지별 응용분야 수송용
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연료전지이론■ 기존자동차와 수소연료전지 자동차 비교
※ 출처: 손영욱, 서재익, 이준석, 구영모, “수소연료전지차 기술 현황 및 전망”, PD ISSUE REPORT MARCH 2014 VOL 14-3.
2. 연료전지별 응용분야 수송용
■ 연료전지 종류별 응용분야 (가정용)
※ 출처: “수소연료전지”, School of Mechanical Engineering, Pusan National University
2. 연료전지별 응용분야 가정용
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연료전지이론삼성종합기술원이 휴대전화용으로 개발 중인 연료전
지팩으로 모형 헬리콥터를 작동시키고 있다
■ 연료전지 종류별 응용분야 (휴대용)
※ 출처: “수소연료전지”, School of Mechanical Engineering, Pusan National University
2. 연료전지별 응용분야 휴대용
FC for Laptop
Fraunhofer Miniature FC
H Power FC for VC
H Power FC for VC FC for Laptop ■ 연료전지 종류별 응용분야 (모바일 기기용 연료전지)
※ 출처: “수소연료전지”, School of Mechanical Engineering, Pusan National University
2. 연료전지별 응용분야 휴대용
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연료전지이론 향후 연료전지의 시장형성 전망
• 주택용, 휴대용 → 자동차용 → 발전용 순으로 상용화
• 자동차용 : 인프라 구축, 가격 경재력 및 대량 생산 기술로의 전환 필요 • 휴대용 : 안정성(항공기 반입금지) 등 규제 강화, 소형화 과제 해결 필요
연료전지의 보급의 확산으로 수소에너지 중심사회로 이행 • 2020년경부터 수소에너지 전환이 본격화
• 2030년부터는 모든 신제품에 연료전지가 탑재 될 것으로 전망 • 선진국을 중심으로 2040년경부터 수소에너지 경제로 전환예상
연료전지의 문제점 • 높은 자본비용
• 재료선택의 제한성 • 연료보급과 저장 • 안전우려
■ 발전전망 및 문제점
※ 출처: “수소연료전지”, School of Mechanical Engineering, Pusan National University
