Transcript fuel cell 1. [131] DATE : 2015-04

Chap. 1 연료전지 개요
Contents
•
연료전지
•
•
•
개요
원리
구성
•
연료전지 개발의 필요성
•
연료전지별 현황 및 전망
•
•
•
MCFC(전력산업용)
PEMFC(수송용/가정용)
PEMFC/DMFC(소형)
연료전지 발전
Chemical Energy → Electrical Energy
Electricity
Fuel
Fuel Cell
Oxidant
Heat
H2O, CO2
연료전지 구성
Cathode
Electrolyte
A ir
Anode
Anode : H2 → 2H+ + 2eCathode : 1/2 O2 + 2H+ + 2e- → H2O
Total
Fu el G as
: H2 + 1/2 O2 → H2O
Electricity
Water
Heat
단위전지
서브 스택
적층
스택
연료전지 발전소
단위전지 (cell)
연료
e
-
공기
e
-
스택 (stack)
연료
e
-
공기
e
-
연료전지 스택
150mA/cm2 X 0.8V X 1m2 = 1.2kW
연료전지 발전 시스템
연료
공기 (O2)
연료/공기
처리장치
H2
연료 전지
DC
DC/AC
열 회수/
이용시스
템
변환기
AC
연료전지 특징
장점
 고효율 : Carnot Cycle, 용량, 부하의 제한을 받지 않음 (발전효율 40 % 이상)
 무공해 : NOx 및 SOx 를 배출하지 않음.
 무소음 : Moving parts가 없음.
 모듈화 : 건설과 증설이 용이하고 다양한 용량이 가능함.
 다연료 : 수소, 석탄가스, 천연가스, 매립지가스, 바이오가스, 메탄올, 석유.
 열병합 : 폐열 활용이 가능함.
문제점
 경제성
 기술의 신뢰성 및 내구성
 Infrastructure 구축이 필요함
연료전지 종류
Type
Parameter
Electrolyte
Operating
Temperature
PAFC
(인산)
AFC
(알칼리)
MCFC
(용융탄산염)
SOFC
(고체산화물)
PEFC/PEMFC
(고분자전해질)
DMFC
(직접메탄올)
100%
H3PO4
35 ~ 45%
KOH
62% Li2CO3
38% K2CO3
Yttria-stabilized
ZrO2
Nafion
Nafion
80 ~ 90 ℃
650 ℃
600~1000 ℃
25 ~ 80 ℃
25 ~ 90 ℃
190 ~ 200℃
Anode
material
Pt/C
80% Pt
20% Pd
90% Ni
10% Cr
Ni-ZrO2
Pt black
or
Pt/C
Pt black
or
PtRu/C
Anode
reaction
H2 →
2H+ + 2e-
H2 + 2OH- →
2H2O + 2e-
H2 + CO32- →
H2O + CO2 + 2e-
H2 + O2- →
H2O + 2e-
H2 →
2H+ + 2e-
CH3OH + H2O
→
CO2 + 6H+ + 6e-
Cathode
material
Pt alloy/C
90% Au
10% Pt
Li-doped
NiO
Sr-doped
LaMnO3
Pt black
or
Pt/C
Pt black
or
Pt/C
Cathode
reaction
O2 + 4H+ + 4e→ 2H2O
O2 + 2H2O +4e→ 4OH-
O2 + 2CO2 + 4e→ 2 CO32-
O2 + 4e→ 2O2-
Large
R&D
group
ONSI Corporation:
200kW
(Cost: $3000/kW)
Fuji Electric Co.:10kW
Mitsubishi Electric
Co.: 200-500kW
Cienergy
FCE 300kW-2MW
MTU 250kW
IHI: 300-750kW
Sulzer Hexis
GmbH:2kW
GE, TMI
O2 + 4H+ + 4e- 3/2O2+6H++6e→ 3H2O
→ 2H2O
Ballard Power
자동차회사
JPL: 200 W
GINER: 55 W
필요성
수소에너지 : 가시권에 있는 인류 에너지 문제의 유일한 대
안
연료전지 : 수소에너지 활용기술의 핵심기술
미국 비젼 21 및 세계 유수기관 선정 21세기 10대 핵심 기술중 하나
연료전지 응용
PEMFC
DMFC
SOFC
MCFC
Micro fuel cell
mW
마이크로 소자
3W
휴대폰
50W
노트북 PC
2 kW
70 kW
RPG
자동차
기타 활용 분야 : 우주 항공용, 군사용, 로보트용, 레저용
MW
발전소
연료전지 효율
(%)
80
60
SOFC
MCFC
PAFC
PEMFC
Eff.
40
20
Solar Cell
0
0
1
10
100
Power kW
1,000
10,000
100,000
단위전지 성능
1.2
Er
(1)
1.0
Cell Voltage (V)
(4)
Vloss
0.8
(2)
0.6
(3)
0.4
V = Er - Vloss
0.2
0.0
0
200
400
600
800
Current Density (mA/cm2)
운전비 증가
투자비 감소
(출력밀도 증가하는 범위 내)
1000
Stationary Fuel Cells
규모
출력
용도
연료전지
소규모
1-10kW
가정용, 주거용
PEMFC, SOFC
중규모
10-300kW
주거용, 상업용
PEMFC, PAFC
MCFC, SOFC
대규모
250kW-10MW
분산형 발전
MCFC, SOFC
중/대규모 발전용 연료전지
연료전지 : 열(Q)/전기(E) ∼ 1
열병합발전(Cogeneration)에 적합
CHP (Combined Heat and Power) system
for buildings, industrial and commercial applications
연속 power backup 또는 UPS에 적합
출력 : 중규모 <250kW, 대규모 ∼ 수-수십 MW
연료 : 천연가스, 석탄가스
효율: 전력변환효율 > 0.4, 전체효율 > 0.7
제작단가 < $1,000/kW, 수명 > 40,000시간
PEMFC system, PAFC system
MCFC system, SOFC system
발전분야 고온 연료전지 적용
고온 연료전지(MCFC, SOFC)발전 방식의 가능성
구
분
내
용
높은 전기 변환 효율(55-65%)
 MCFC, SOFC 단독 시스템
 IG MCFC, SOFC
 가스터빈 복합 발전 과 기술 및 가격
경쟁력 확보 가능
 화력발전기술 중 가장 좋은 열효율 획득
모듈화 설비
 250 kW 에서 5MW
 50 MW 이상( 복합 발전 )
 분산형 전원, 노휴 화력 대체용으로
적용 가능
 도심지역 설치 가능
 대형 중앙 집중형 전원으로 채택 가능
연료의 다양성
 천연가스, 석탄가스,
바이오 가스 등
 잠재적 가채량이 풍부한 석탄을 활용
할 수 있는 발전 용 설비
메탄올
시장전망 : 세계시장

분산형 발전소
2005 년 : 본격적인 보급 시작 (미국 FCE사)
 2010 년 : 12,000 ~ 22,000 MW (ABI사 예측)

2002
2005
2008
미 국 (MW)
739
1,107
2,801
중남미 (MW)
143
271
1,012
동유럽 (MW)
110
1,578
4,433
시장규모 (M$)
1,000
1,600
4,500
발전용량 (MW)
2005
2010
300
2,200
비고
J. Power Sources
일 본
건설비 (M$)
300
2,200
Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Matrix (LiAlO2 )
Electrolyte (Li2CO3/K2CO3)
Anode
Cathode
Current
Collector
Current
Collector
Hydrogen + CO2
+ H2O
CO3-2
650oC
Water
e-
ANODE
TOTAL
Oxygen
from the Air + CO2
Electrical
Circuit
: H2 + CO3-2 = H2O + CO2 + 2e-,
CATHODE : CO2 + 1/2O2 + 2e- = CO3-2
: H2 + 1/2O2 + CO2 (cathode) = H2O + CO2 (anode)
MCFC 스택 구성
MCFC 구성요소 제작
MCFC 총괄 기술지도
2001
개발 목표
Comonent
Stack
BOP
운
전
2002
2003
2004
100 kW class system
2005
2007
2006
250 kW class system
-
- 6,000 cm 2 분리판 설계
- 부식 방지 분리판 (Al 코팅)
- 10,000 cm 2 분리판 설계
- 신 분리판 형태 개발
MW demo plant
- 스택 모듈화
5,000 $/kW
1,500 $/kW
5,000 시간
10,000 시간
40,000 시간
5회 themal
cycle
10회 themal
cycle
20회 themal cycle
Short Stack
1,000cm2
Short Stack
6,000cm2
2009
10,000 cm 2
안정화 anode (Ni-Al 합금)
대체 전해질 (삼성분계)
전해질 보충형 anode
- 6,000 cm 2
- 안정화 cathode
- Li/Na 전해질
10,000 $/kW
2008
10kW 급
Short Stack
50kW 급
Short Stack
500kW 급
Short Stack
2010