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2009. 3. 4. 10:40
결론은 얼마나 수소를 싼값에 얻을 수 있느냐에 달려있다
물이 수소와 산소로 이루어져 있으니
물로부터 수소를 싼값에 얻을수만 있다면 얼마든지 전기와 열을 얻을수 있다는 것이다.
전기와 열만 있으면 세계 어디도 더 이상 오지는 존재하지 않는다.
수소는 물로부터 얻을수 있다.
물로부터 수소를 값싸게 얻는 방법만 개발된다면
강원도 산 속에서도 편하게 문화생활을 즐기수가 있는 것이다.
현재 강원도 산속에서 전기없이 사는 사람들이 상당수가 있다고 한다.
스스로 자연을 찾아서 들어간 사람들이다.
그 사람들이 전기와 열까지 배척하는 것은 아닐 것이다.
없기 때문에 쓰지 못할뿐
이런 곳에 연료전지로 싼값에 계속적으로 전기와 열을 얻을수만 있다면
공기좋은 곳에 살면서 재택근무도 할 수가 있는 것이다.
순식간에 좋은 땅으로 변할수가 있다
그러면 땅값이 오를건 불을 보둣 명약관화하다.
이런 지역을 선점하라는 것이다..
단, 물로 부터 수소를 싼 값에 얻을수 있는 방법이 발명되기만을 학수고대해야 한다.
이 기간이 얼마나 걸릴지 모르지만 그리 오래 걸리지는 않을 것이다.
물이 수소와 산소로 이루어져 있으니
물로부터 수소를 싼값에 얻을수만 있다면 얼마든지 전기와 열을 얻을수 있다는 것이다.
전기와 열만 있으면 세계 어디도 더 이상 오지는 존재하지 않는다.
수소는 물로부터 얻을수 있다.
물로부터 수소를 값싸게 얻는 방법만 개발된다면
강원도 산 속에서도 편하게 문화생활을 즐기수가 있는 것이다.
현재 강원도 산속에서 전기없이 사는 사람들이 상당수가 있다고 한다.
스스로 자연을 찾아서 들어간 사람들이다.
그 사람들이 전기와 열까지 배척하는 것은 아닐 것이다.
없기 때문에 쓰지 못할뿐
이런 곳에 연료전지로 싼값에 계속적으로 전기와 열을 얻을수만 있다면
공기좋은 곳에 살면서 재택근무도 할 수가 있는 것이다.
순식간에 좋은 땅으로 변할수가 있다
그러면 땅값이 오를건 불을 보둣 명약관화하다.
이런 지역을 선점하라는 것이다..
단, 물로 부터 수소를 싼 값에 얻을수 있는 방법이 발명되기만을 학수고대해야 한다.
이 기간이 얼마나 걸릴지 모르지만 그리 오래 걸리지는 않을 것이다.
연료전지의 장점
1) 열 엔진에 비해서 높은 효율을 얻을 수 있다.
2) 반응 후 오염물질이 거의 만들어지지 않는다.
3) 배터리는 장기간 전기를 공급할 수 없지만 연료전지는 수소만 공급되면 계속 동작한다.
4) 연료전지는 배터리에 비해 효율이 높고 경제적이고 적용분야가 다양하다.
5) 연료전지는 출력범위를 조절하기 쉬워 고출력장치부터 휴대장비에까지 적용범위가 넓은 편이다.
연료전지의 단점
.고도의 기술과 고가의 재료 사용으로 인해 현재는 경제성이 떨어짐
.내구성과 신뢰성의 문제 등 상용화를 위해선 아직 해결해야 할 기술적 난제가 존재.
.연료전지에 공급할 원료(ex 수소)의 대량 생산과 저장, 운송, 공급 등의 기술적 해결이 시급하고 연료전지의 상용화를 위한 인프라 구축 역시 미비한 상황.
.그동안 화석연료 에너지 체제에 익숙해져 있기 때문에 새로운 형태의 에너지 시스템에 대한 국민들의 인식 부족.
연료전지의 원리
공기극(cathode)에는 산소가, 연료극(anode)에는 수소가 공급되어 물의 전기분해의 역반응으로 전기가 발생
연료극 (Anode) : H2 = 2H+ + 2e-
공기극 (Cathode) : 1/2 O2 + 2H+ + 2e- = H2O
전체반응 : H2 + 1/2O2 = H2O Eo = 1.23 V
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| 1. 연료전지란? |
| - | 연료의 산화(酸化)에 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 계내(系內)에서 전지반응(電池反應)을 하는 화학전지와 달라서 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되어, 반응생성물이 연속적으로 계외(系外)로 제거됨. 가장 전형적인 것에 수소-산소 연료전지가 있다. |
| - | 수소 외에 메탄과 천연가스 등의 화석연료(化石燃料)를 사용하는 기체연료와, 메탄올(메틸알코올) 및 히드라진과 같은 액체연료를 사용하는 것 등 여러 가지의 연료전지가 나왔으며 이 중에서, 작동온도가 300 ℃ 정도 이하의 것을 저온형, 그 이상의 것을 고온형이라고 함. 또, 발전효율의 향상을 꾀한 것이나, 귀금속 촉매를 사용하지 않는 고온형의 용융탄산염(溶融炭酸鹽) 연료전지를 제2세대, 보다 높은 효율로 발전을 하는 고체전해질 연료전지를 제3세대의 연료전지라고 한다. |
| 2. 연료전지 발전원리 |
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| 연료중 수소와 공기중 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전 | |
| ① 연료극(양극)에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리 → | |
| ②수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동 → | |
| ③ 공기극(음극)쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물(물)을 생성 ⇒ 최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열생성 |
| 3. 특징 및 시스템 구성도 (특징) |
| - | 발전효율이 40∼60 % 이며, 열병합발전시 80% 이상 가능 |
| - | 천연가스, 메탄올, 석탄가스 등 다양한 연료사용 가능 |
| - | 환경공해 감소 : 배기가스중 NOx, SOx 및 분진이 거의 없으며, CO2 발생량에 있어서도 미분탄 화력발전에 비하여 20∼40% 감소 |
| - | 회전부위가 없어 소음이 없으며, 기존 화력발전과 같은 다량의 냉각수 불필요 |
| - | 도심부근 설치가능하여 송배전시의 설비 및 전력 손실 적음 |
| - | 부하변동에 따라 신속히 반응하며, 설치형태에 따라서 현지 설치용, 분산 배치형, 중앙집중형 등의 다양한 용도 사용 가능 |
| 4. 연료전지 발전시스템 구성도 |
| 4.1 | 개질기(Reformer) |
| 연료인 천연가스, 메탄올, 석탄,석유등을 수소가 많은 연료변환시키는 장치 | |
| 4.2 | 단위전지 (Unit Cell) |
| 연료전지 단위전지(Cell)는 기본적으로 전해질이 함유된 전해질 판, 연료극(anode), 공기극(cathode), | |
| 4.3 | 이들을 분리하는 분리판 등으로 구성 |
| 이 단위전지(Cell)에서 전류를 인출하는 경우 통상 0.6∼0.8V의 낮은 전압이 생성 | |
| 4.4 | 스택(Stack) |
| 원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체 | |
| 4.5 | 전력변환기(Inverter) |
| 연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치 |
| 1. 연료전지종류 및 특징 |
| 연료전지는 내부 전해질에 의하여 아래 표와 같은 형태로 구분되어진다. 각 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해서 작동하지만, 서로 다른 점은 연료의 종류, 운전 온도, 촉매와 전해질이다. |
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| - | 인산형 연료전지 |
| 인산형 연료전지 기술은 20년 이상 개발되고 개선되어 왔고, 전기 생산에 비교적 순수한 수소(70% 이상)를 요구한다. 인산형 연료전지 내의 전극은 탄소 지지체의 표면적 위에 촉매로써 백금이나 백금 혼합물을 포함한다. | |
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| 인산형 연료전지의 운전 온도는 약 200℃ 이다. 이것은 인산 전해질의 안정도를 위하여 허용하는 최대값이다. 이 기술로 현재까지 순수한 발전 효율은 40∼50% 정도이다. 이 수준 보다 높은 효율을 갖기 위해서는 전지와 스택 구성품의 지속적인 개발에 의한 종합시스템 제어에 의존하여야 한다. 일례로 인산형 연료전지의 반응이 발열 반응이므로 연료전지가 반응온도인 200℃로 유지함이 최적의 운전 조건이 된다. 따라서 연료전지 반응시 반응열을 냉각시켜야 하며 이때 생성되는 반응열을 이용하면 효율을 70%이상 높일 수 있다. 인산은 저온 연료전지를 위한 전해질로써 필요한 수명을 가진 그런 유일한 물질로 알려져 있다. 이것이 낮은 이온 도전율을 가지고 있다 할지라도 이것의 안정도는 전류 상태를 증진시키는 전지 개발에 기여하였다. 인산형 연료전지 응용은 휴대용, 자동차용 및 고정용 전원을 포함한다. | |
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| - | 알칼리형 연료전지 |
| 알칼리 연료전지는 전해질로써 수산화칼륨과 같은 알칼리를 사용한다. 연료로서 순수 수소를 쓰며, 산화제로써는 순수 산소를 쓴다. 운전 온도는 대기압에서 60∼120℃이다. anode의 촉매는 니켈망에 은을 입힌 것 위에 백금-납을 사용하고, Cathode는 니켈망에 금을 입힌 것 위에 금-백금을 쓴다. 알칼리 연료전지의 고효율화의 기본적인 목적은 자동차 산업의 전원 공급용이다. 알칼리 연료전지는 알칼리가 이산화탄소에 민감하기 때문에 인산형 연료전지의 개발보다 늦게 개발되었다. | |
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| 알칼리 연료전지 시스템에서 수소의 저장과 이산화탄소의 경제적인 제거는 알칼리 연료전지의 상업화에 가장 중요한 요소이다. 자동차의 경우에 알칼리 연료전지가 확보할 수 있는 시장 비율은 경쟁성 기술에 의하여 영향을 받을 것이다. 알칼리 연료전지 기술 전망은 수소 저장과 대규모 상업화를 시작하기 전에 유통망(distribution)의 개량을 필요로 한다. 과학자들에 의하여 오랫동안 주장되어 온 수소를 기초한 미래 자동차의 경제성은 알칼리 연료전지의 상업화를 선호하게 될 것이다. | |
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| - | 고분자전해질형 연료전지 |
| 고분자전해질형 연료전지의 전해질은 액체가 아닌 고체 고분자 중합체(Membrane)로써 다른 연료전지와 구별된다. 인산형 및 알칼리형 연료전지 시스템과 비슷하게 멤브레인을 이용하는 연료전지는 촉매로써 백금을 사용한다. 멤브레인 연료전지의 개발 목표는 최소 1.5g/kW의 백금 촉매를 쓰는 것이다. 이 백금 촉매는 일산화탄소에 의한 부식에 민감하므로 일산화탄소의 농도는 1000ppm 이하로 유지하여야만 한다. | |
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| 고분자전해질형 연료전지 시스템의 소형화는 자동차 응용에 가장 중요한 역할을 한다. 개발 사업은 인산형 연료전지보다 약 10년이 뒤져 있지만, 인산형에 비해 저온에서 동작되며, 출력 밀도가 크므로 소형화가 가능하며, 기술이 인산형과 유사하여 응용 기술의 적용이 쉽기 때문에 현재는 고분자전해질형 연료전지의 이용 규모가 적을지라도 상업화할 수 있다. 더욱이 현재 몇 개의 시범용 고분자전해질형 연료전지의 전원에 의한 자동차는 실험 결과 우수성이 입증되어 더 많은 연구 계획을 진행중에 있다. | |
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| - | 용융탄산염형 연료전지 |
| 용융탄산염형 연료전지의 전해질은 낮은 용융점을 가지는 탄화리튬과 탄화포타슘의 혼합물이다. 전극은 다공성 니켈로 만든다. 전극의 부식성과 내구성은 아직 개발에 중요한 애로점이다. 용융탄산염형 기술의 산 또는 알칼리 연료전지 기술 보다 뚜렷한 장점은 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소에 대하여 내성이 있는 점이다. 이것은 일산화탄소와 이산화탄소를 분리하는 공정을 필요로 하는 다른 것들보다 초기 투자비가 낮고 시스템 설계가 매우 단순해지는 결과를 가져온다. 용융탄산염형 연료전지의 운전 온도는 약 650℃이고, 전지 스택의 열로 전지 내부의 탄화수소 기체의 개질을 허용한다. 내부 개질의 장점은 30% 또는 그 이상의 비용을 감소시킨다. | |
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| 용융탄산염 연료전지를 상업화하기 전에 내구성과 신뢰도를 개량시킬 필요가 있다. 운전온도가 높아 정상운전 되는 동안 용융탄산염 전해질의 결핍과 증발로 인하여 양이 줄어들기 때문이다. 이것이 운전의 안정성과 현재 용융탄산염형 연료전지의 유효 수명의 제한점이다. | |
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| - | 고체산화물형 연료전지 |
| 고체산화물형 연료전지의 특징은 탄화수소를 직접 전기로 변화시킬 수 있는데 있다. 전해질은 안정화된 산화이트늄으로 가스가 스며들지 않은 산 이온이 효율적으로 접촉하고 있는 얇은 산화지르코늄 층이다. Cathode는 안정된 산화이트늄으로 된 지르코늄으로 만들어졌고, anode는 니켈-지르코늄 세라믹 합금으로 만들어졌다. | |
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| 고체산화물형 연료전지의 가장 톡특한 특성은 운전 온도는 약 1000℃ 로써 매우 높다는 것이다. 이 온도에서는 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화 반응이 일어나고 촉매없이 연료가 개질된다. 운전 온도 1000℃에서 금속 재료의 적당한 열적-기계적 강도를 요구하기 때문에 가스 누출 방지가 가장 중요한 애로 사항이다. 세라믹 재료 기술의 개발은 고체산화물형 연료전지가 상업적으로 발전을 시작하기 전에 필요한 기술이다. 고체산화물형 연료전지는 상업적으로 자동차 응용에 연구되어지고 있다. 자동차에 사용하기 위한 이 전지 기술의 모형화가 밧데리 전원 공급형 자동차가 아닌 전위밀도를 요구하는 것과 접목시키는 것이 궁극적인 목적이다. | |
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| - | 직접메탄올연료전지 |
| DMFC는 메탄올을 직접, 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템이다. 전해질은 이온 교환막에 인산을 담지시킨 것이다. 작동 온도는 150℃로 비교적 저온이다. PEFC와 비교하여 개질기를 제거할 수 있으며, 시스템의 간소화와 부하 응답성의 향상이 도모될 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 반응 속도가 낮은 것이 의한 저출력 밀도, 다량의 백금 촉매의 사용과 메탄올과 산화제의 Cross Over(고체 고분자 막을 통과하는 것) 등의 단점도 있다. | |
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| 1. 고분자연료전지 |
| - | 기본원리 |
| 고분자전해질 연료전지의 기본구조는 고분자전해질 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 anode와 cathode가 부착되어 있는 형태로 되어 있으며 개략적인 구조는 Fig. 1 과 같다. |
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| 산화전극 또는 연료극 에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가 그리고 Anode ( 산화전극 또는 연료극) , cathode (환원전극 또는 공기극) 에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나 이때 발생되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다 각 전극에서의 반응식과 총 반응식은 다음과 같다. |
Anode : H2(g) →2H+ ＋ 2e- (1) Cathode : ½O2(g) + 2H＋ + 2e- → H2O(l) (2) ........................................................................ 총 반응식 : H2(g) + ½O2(g) → H2O(l) (3) |
| 고분자전해질 연료전지 운전 시 반응온도는 전해질로 사용되는 고분자막의 열적 안정성과 이온전도도에 의해 결정되는데 보통 에서 작동된다 반응기체의 압력은 상압에 50 100 . ～ ℃ 서 기압까지 가능하며 일반적으로 고분자막 양쪽 모두 같도록 유지하는데 이것은 고분자 8 , 막을 통한 반응기체의 crossover 를 최소화하기 위한 것이다 반응기체의 crossover는 전지 의 전압을 강하시킬 뿐만 아니라 수소와 산소가 섞여 폭발 위험성을 증가시키게 된다. |
| - | 구성 |
| 고분자전해질 연료전지의 주요 구성요소는 고분자전해질 막과 전극 (anode, cathode), 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판 (separator)으로 이루어져 있다 특히 anode와 cathode의 두 전극을 고분자전해질 막에 hot-pressing방법으로 부착시킨 것을 고분자전해질 막 전극 접합체 (membrane-electrode assembly, MEA)라고 하는데 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다 연료전지 스택(stack)은 전기화학반응이 일어나는 단위전지(single cell) 를 수십 수백개씩 적층함으로써 구성되는데 단위전지나 스택은 구성요소간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝판(end plate)을 tie rod 나 공기압으로 압착하게 되어 있다 양쪽 끝판에는 반응기체의 출구 및 입구 냉각수 순환구, electric power output 을 위한 connection 이 설치되어 있다. Fig. 2는 이러한 Ballard의 고분자전해질 연료전지 스택 개념도를 나타낸 것이다. 실제 시스템은 이러한 스택 외에도 연료개질기, 공기압축기, 열 및 물 처리기, 전력변환기 등으로 이루어진다. |
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| - | 용도 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
고분자전해질 연료전지는 높은 출력 밀도 100℃이하의 낮은 작동 온도와 전해질의 높은 부식저항성 등의 장점을 비롯하여, 설치장소의 제약이 적고, 설비 구조의 단순화 및 소형 설비가능 (수 kW 설비), 높은 반복작동 안전성 (편리한 운전 안전성), 상온 작동 및 짧은 시동 시간(비상용 및 군사용 전원) 등의 장점을 지니고 있어 산업용으로 사용하는 250kW급 모듈에서부터 수십 kW급의 상업용, 수 kW급의 주거용, 80kW급의 승용차용, 150kW전후의 버스용에서부터 1kW 미만의 소형 연료전지뿐 아니라 subwatt급의 IT용까지 넓은 범위의 제품에 적용할 수 있다.
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출처 http://nfcrc.kier.re.kr/info/fuel_4.asp
