Transcript 07전기전자재료(SOFC)

세라믹 연료전지의 개발 현황
경북대학교 무기재료공학과 유전체재료연구실
정완우
발표순서
•연구개발 배경
•세라믹 연료전지
•세라믹 연료전지의 구성과 응용
•국내 SOFC 개발 현황
Dielectric Materials Laboratory
연구개발 배경
공상과학 영화 속에서의 연료전지
Dielectric Materials Laboratory
지구환경 : 산성비
< evil source : fossil fuel >
Environmental Issue
Air Pollution
60 years ago
Green House
effect
CO2
now
화석연료의 연소
CmHn + nO2
unreacted
SO2
HC
NOx
+ Light
Smog
The effect of acid rain
Dielectric Materials Laboratory
+ H2O
Acid Rain
온실가스와 지구 온난화
Environmental Issue
Global warming
Dielectric Materials Laboratory
화석연료의 고갈
Exhaustion of oil, natural gas and coal
Dielectric Materials Laboratory
환경보존을 위한 국제적 활동
환경협약
경제협약
온실가스 감축 목표 설정
국가별 목표 부여
국제 배출권 거래제도
기준미달 기기에 대한 금수조치
벌칙금 수준의 관세부여
탄소세 도입
Dielectric Materials Laboratory
세라믹 연료전지
미래의 에너지 전략
가채량 제한
지구온난화/공해
21세기
에너지 경제구조
화석에너지
경제구조
무한 에너지
청정 에너지
맞춤 에너지
수소에너지
NIMBY 현상
에너지 수요의 고급화
수소에너지 : 가시권에 있는 인류 에너지 문제의 유일한 대안
연료전지 : 수소에너지 활용기술의 핵심기술
Dielectric Materials Laboratory
연료전지
Chemical Energy → Electrical Energy
Electricity
Fuel
Fuel Cell
Heat
Air
H2O
Dielectric Materials Laboratory
기존 발전 방식과의 비교
핵분열
열
연료
수증기
발전기
전기
연소
연료
연료개질
수소
SOFC
Dielectric Materials Laboratory
연료전지
산소
전기
전력수송 방식의 비교
발전소
송전
터빈
에너지 효율
30%
가스, 오일
에너지 효율
60% 이상
가스, 오일
연료전지
Dielectric Materials Laboratory
Emission
90% 감소
발전 효율 비교
Dielectric Materials Laboratory
연료전지의 기본구조
H2
 전해질의 역할
– 이온의 이동통로
– 전자 이동 차단
– 연료와 산소 분리
연료극
전해질
공기극
e
H+
O2
고분자전해질 연료전지
(80 oC)
H2
H2
2H2  4H+ + 4eElectrolyte
H+
O2 + 4e- + 4H+  2H2O
O2
용융탄산염 연료전지
(650 oC)
고체산화물 연료전지
(1000 oC)
H2
2H2+2CO32-  2H2O+2CO2+4eElectrolyte
CO32-
2H2+2O2-  2H2O+4eElectrolyte
O2 + 2CO2 + 4e-  2CO32-
O2 + 4e-  2O2-
O2
O2
CO2
Dielectric Materials Laboratory
O2-
연료전지의 종류별 특성
연료 전지 형태
전해질
촉매
운전 온도
인산형 (PAFC)
인산 (액체)
Platinum on carbon
200℃
알칼리형 (AFC)
수산화칼륨 (액체)
Platinum on carbon
80℃
고분자전해질형(PEMFC)
나피온 Dow 폴리머
Platinum on carbon
85-100℃
용융탄산염형 (MCFC)
Lithium or potassium
carbonate(액체)
니켈 or 니켈화합물
650℃
고체산화물형 (SOFC)
YSZ (고체)
니켈/Zirconia cermet
1000℃
직접메탄올 (DMFC)
Polymer Membrane
Pt-Ru or Pt/C
25-130℃
Dielectric Materials Laboratory
연료전지의 종류별 특성
종류
발전온도
전해질
주연료
기술수준
적용대상
고분자전해질형
(PEMFC, DMFC)
상온-100℃
개발 및 실증
이온(H+)전도성
수소 메탄올
고분자 막
단계
소형전원
자동차
인산형 (PAFC)
150-200℃
인산(H3PO4)
천연가스
메탄올
상용화단계
용융탄산염 (MCFC)
600-700℃
용융탄산염
(Li2CO3-K2CO3)
천연가스
석탄가스
개발단계
고체산화물 (SOFC)
700-1000℃
고체산화물
(YSZ)
천연가스
석탄가스
개발단계
알칼리형 (AFC)
상온-100℃
수소
사용중
Dielectric Materials Laboratory
분산전원
복합발전
열병합발전
복합발전
열병합발전
특수목적
연료전지의 종류별 특성
구 분
AFC
PEMFC
작동온도
60 ~ 90 oC
50 ~ 80 oC
작동효율
50 ~ 60 %
50 ~ 60 %
PAFC
MCFC
SOFC
160 ~ 220 oC 620 ~ 660 oC 800 ~ 1000 oC
55 %
작동온도가 낮아 고가의 촉매 필요
60 ~ 65 %
60 ~ 65 %
( 90%까지 가능)
활성이 높아
활성이 매우 높아
저가의 촉매가능
촉매 불필요
비 용
외부 연료개질장치 필요
(reformer, converter)
CO2 분리장치 필요
IGCC
복합장치화 가능
복합장치화
선택성
안정성
주변장치
필요 없음
작동온도가 낮아 촉매나 연료의 선택에 제한이 많다
반응속도가 빨라
촉매나 연료선택의 폭이 넓다
액상 전해질이나 용융상태의 전해질을 사용하기에
주변성분과의 반응, 부식 등의 문제가 많다
Dielectric Materials Laboratory
고상전해질
사용으로
전지특성이 안정적
세라믹 연료전지 (SOFC)
Dielectric Materials Laboratory
세라믹 연료전지의 장단점
구분
PEMFC
• 양산 가능 기술 수준
장 점
(연료전지 및 주변기술 성숙)
• 연료전지 출력밀도 최고 수준
• 시동성 및 응답성 우수
SOFC
• 저가의 재료비(금속산화물)
• 에너지 효율 최고 (양질 폐열 활용)
• 기존 연료 인프라 활용 용이
현 기술의 문제점(개발 필요 기술)
• 연료 순도 제한(고순도 수소)
단 점
• 고가의 재료비
• 잦은 On/Off 시 짧은 수명
• 시동 시간 개선
• 연료전지 주변기술 수준 미성숙
(백금 촉매, 폴리머 멤브레인 등)
• 연료전지 중저온 운전
(650℃: 기존 재료 사용가능)
용 도
• 주로 승용차 구동 동력원
• 차량 보조전원(APU), 분산발전
Dielectric Materials Laboratory
각종 발전방식의 효율
(%)
80
60
SOFC
MCFC
PAFC
PEMFC
Eff.
40
20
Solar Cell
0
0
1
10
100
1,000
Power kW
Dielectric Materials Laboratory
10,000
100,000
세라믹 연료전지의 구성과 응용
SOFC 단전지의 구성요소
Tubular type
Planar type
Dielectric Materials Laboratory
SOFC 단전지의 형태
Planar Type
Disk Type
Honeycomb Type
Air
Fuel
e-
e-
Segmented Type
Tubular Type
HPD Type
Dielectric Materials Laboratory
단전지 형태별 스택 구성
원통형 SOFC
평판형 SOFC
단전지
스택
1L/3kg/kW
• 고출력 밀도(~1.0W/cm2)
장점
• 스택 기밀 부담 적음
• 원통형 보다 간단한 디자인
• 시스템 단가가 낮음
• 낮은 출력밀도(<0.2W/cm2)
• 시스템 단가가 높음
• 단전지 대량 생산 어려움
• 셀/스택 생산성 우수(반복적층)
단점
• 시스템 규모별 부품 공용 가능
• 스택 기밀 어려움
• 단전지 연결 기술 미성숙
Dielectric Materials Laboratory
SOFC 스택 구성 부품
 스택 구성 부품
스택 체결 구조
단전지
접속자
밀봉재
Dielectric Materials Laboratory
SOFC 시스템
코어모듈
스택
중소형 시스템
Dielectric Materials Laboratory
대형시스템
SOFC 시스템의 구성
BOP
Stack
Power El.
Dielectric Materials Laboratory
가정용의 SOFC
난방
전기
온수
•PEMFC 가 시장을 선점하고 있으나 에너지 효율이나
경제성 면에서 강점을 가지고 있는 SOFC가 시장을 대
체할것으로 예상 (Sulzer-Hexis, 2002)
-열병합 발전시 가장 고효율
(에너지효율 90%이상)
- 전기, 온수, 난방 동시 공급가능
- 수요용량에 따른 범용성
- 연료선택의 자유도가 큼
Dielectric Materials Laboratory
수송용 연료전지 및 시장 전망
2000
Hybrid
2010
Zero Emission Vehicle
2010년 : 내연기관(가솔린,디젤) 60%, 내연기관(가스) 20%, FCEV 20%
2020년 : 내연기관(가솔린,디젤) 15%, 내연기관(가스) 15%, FCEV 70%
Dielectric Materials Laboratory
2020
PEMFC and SOFC for Electric Vehicle
Proton-exchange
membrane
OPERATING TEMPERATURE 80
oC
Solid-oxide
ceramic
800 ~ 1000
CHARGE CARRIER
Hydrogen ion
FUEL
Pure H2
H2, C containing
gases
REFORMER
External
( mandatory )
Not necessary
PRIME CELL COMPONENTS
Polymer(Nafion)
All ceramic
WATER MANAGEMENT
Humidifier
Waste water treat
Not necessary
CATALYST
Platinum
Not necessary
EFFICIENCY (percent)
40 to 50
Greater than 60
STATUS OF DEVELOPMENT
Demonstration
systems up to
50 kilowatts ;
expected in next
* Scientific American, July 1999 few years
연
료
oC
Oxygen ion
Next generation
FC units for
electric vehicles
Dielectric Materials Laboratory
SOFC
ELECTROLYTE
연료개질
PEM
수
소
연료전지
전
기
산소
군사용 연료전지
Dielectric Materials Laboratory
수소연료전지로 꿈꾸는 미래
Dielectric Materials Laboratory
국내 SOFC 개발현황
SOFC 핵심원천기술 개발사업
KIER(6)
Tubular type
Unit cell
MJU(5)
KIST(1)
RIST(2)
YSU(4)
SNU(5)
Composite
Sealant
Highperformance
Unit cell
Metal
interconnect
IT/LT
Electrode
IT/LT
Electrolytes
Development of Core
Technology for LT/IT SOFC
Stack Components
Round Robin Test
(HMC,POSCO,KIST)
2 Industries : HMC, POSCO
3 National Research Institutes : KIST, KIER, KICET
1 Industrial Research Institute : RIST
16 Universities : SNU, YSU, MJU, KAIST, POSTEC …
Dielectric Materials Laboratory
KIST SOFC 스택 (350W, 12셀, 10x10 cm2)
700W Stack
10×10 cm2
2.0
2
Power density (W/cm )
5x5 cm
1.5
1.0
Performance
Enhancement
0.5
0.0
1st
2nd
3rd
4th
5th
Generation
5×5 cm2
300W Stack
Ø2 cm
150W Stack
15W Stack
Extensive experience  Cell size enlargement & performance enhancement
Dielectric Materials Laboratory
SOFC 연구개발
Anode
YSZ
Cathode
YSZ
YSZ
NiO
e-
O2-
Anode support
(YSZ-Ni)
Cathode
(LSM)
Electrolyte
(YSZ)
Dielectric Materials Laboratory
H2