Reference : 신들의 정원 – 강화풀밭농원 (최진만 기술사)
[문제30] 연료전지의 기본원리,종류와 전원설비로서의 특징에 관하여 설명하시오.
1.개 요
연료전지의 역사는 영국의 H.DAVY경이 1802년 연료전지의 가능성을 표시한 후 1839년 W.R.Grove경이 수소와 산소를 이용하여 실험을 한것이 최초이다.
물을 전기분해하면 수소와 산소가 나온다는 것은 이미 잘 알려져 있다.연료전지란 이 전기분해를 역으로 이용하는 것이다. 즉 연료중의 수소와 공기중의 산소를 전기화학적으로 결합시키는 조건을 만들어 연속으로 직류전기와 물을 생성시키는 것이다.
2.기본원리
연료전지 발전System은 천연가스등을 改質하여 수소함유량이 많은 가스로 만드는 연료개질(Reform)장치와 전지본체(Fuel Cell) 그리고 발전된 직류전기를 교류출력으로 변환시키는 변환장치(Inverter)등 3가지로 구성된다.
반응을 살펴보면 -극에 공급되는 수소는 촉매에 의하여 활성화 되고 2H이온과 2e로 분리되어 진다. 2H이온은 인산전해액을 통과하여 +극으로 이동하고 전자2e는 부하회로쪽으로 방출된다. +극쪽에서는 산소가 부하회로쪽에서 통과 하여온 2e와 전해액을 통과하여온 2H이온과 반응하여 물이 된다. 이것을 식으로 나타내면 다음과 같다.
전체적으로는
로 되어 물과 직류전기를 생성하게 된다.
연료전지는 이와같이 외부에서 공급되는 산소와 수소가 반응하여 전기를 발생하기 때문에 연료공급이 계속되는한 발전을 계속하게 된다.
3.연료전지의 종류 및 특징
연료전지는 사용되는 전해질에 따라 종류를 구분할수 있다. 전해질로서 수산나트륨 수용액을 사용하는 알카리형, Na,K,Li등의 용융탄산염을 사용하는 용융탄산염형, 인산염을 사용하는 인산염형, 그밖의 고체산화 질코늄 혹은 이성다중산 물질을 사용하는 고체전해질형이 있다. 일반적으로 인산염을 제1세대, 용융탄산염을 제2세대, 고체전해질을 제3세대로 부르고 있다.
3-1. 인산형 (Phosphoric Acid Fuel Cell: PAFC)
실용화된 연료로서 천연가스,메탄올,납사등에서 얻은 수소를 이용하고 작동온도범위가 170～200℃부근으로 취급이 용이하나 작동온도가 낮아 열효율은 40～43% 정도로 낮다. 실용화가 가장 가까우나 작동온도가 낮기 때문에 재료의 선택폭이 넓은 반면, 전지의 활성도가 낮아 촉매작용이 높은 백금을 사용하는 결점이 있다.
3-2. 용융탄산염형 (Molten Carbonate Fuel Cell: MCFC)
연료로서는 천연가스,LPG,나프타 및 석탄가스화 가스를 사용하며 작동온도가 650℃부근에서 이루어져 백금촉매가 불필요하고 본체의 효율이 높다. 고온의 배기열을 이용하여 증기터어빈을 조합한 고효율 복합 화력발전 System으로의 실현이 기대된다. 인산형보다 작동온도가 높아 효율은 약 48-55% 정도가 기대되며 폐열을 이용한 열공급이 가능하다. 90년대후반에 상용화가 예상된다.
※ MCFC는 인산형 연료전지의 특징에 더하여 다음과 같은 장점이 있다.
- 650도 정도의 고온발전으로 전극의 반응이 활발하여 고가의 귀금속 촉매가 불필요하다.
- 석탄가스를 포함한 다양한 연료를 사용할수 있다.
- 전지 구성재료가 비교적 저렴하여 제조비의 저감이 가능하다.
- 고온의 배기가스를 이용하여 가스터빈과 조합,대규모 발전시스템화 가능
그러나 동작온도가 고온이고 용융탄산염의 부식성 때문에 운전시간이 경과함에 따른 電池 각부의 劣化로 발전성능이 저하될 가능성이 있다.
3-3. 고체전해질형 (Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)
MCFC와 같이 석탄가스화 가스를 연료로 사용하고 1000℃의 높은 온도에서 작동하기 때문에 가장높은 효율(50～60%)이 기대된다. 고체전해질을 사용하기 때문에 구성기기의 부식등 성능열화도 작을 것으로 기대되나 기술적으로 해결해야할 문제점이 많아 실용화는 상당히 먼것으로 예상된다.
4.전원설비로서 연료전지의 특징
연료전지는 연료를 직접 전기에너지로 변환 시키는 장치이므로 화력발전과는 다른 다음과 같은 특징을 가지고 있다.
4-1.에너지 변환효율이 높다.
연료전지는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 직접발전방식이므로Rankine Cycle과 같은 열기관에서의 제약이나 회전부의 기계적 손실이 없다. 따라서 연료 개질장치 및 변환장치 손실 등을 고려하여도 40～50%의 효율을 달성할 수 있다.(이론적으로는 90%이상의 효율을 갖으며 열공급을 병행시에는 75%이상 가능하다)
4-2.부하의 응답성이 좋다.
최저출력에서 최대출력까지 수초이내의 출력변환과 비교적 단시간 기동이 가능하므로 비상용으로 적합하며 부분부하에서도 효율변화가 거의 없다.
4-3.환경에 대한 문제가 적다.
대기오염물질인 NOx,SOx등의 성분이 극히 적으며 대형의 회전부분이 없어 소음이 적고 냉각수의 순환사용이 가능하여 온배수 문제도 적다. 이산화탄소발생량이 타 화석연료 발전방식의 1/3이하로 감소한다.
4-4.입지의 제약이 적고 건설공기가 짧다.
연료전지는 Module화가 가능하여 제조조립이 거의 공장에서 이루어지므로 건설공기의 단축과 고신뢰도가 기대되며 기기의 배치가 자유롭고 소요면적이 작아 수요지 근방 도심에도 설치할 수 있다.
4-5.송전손실 및 설비비부담을 축소
입지의 제약,환경오염 및 공해문제,냉각수 문제등이 거의 없으므로 부하밀도가 높은 수요지 근방에 입지를 선정할 수 있다. 따라서 송전손실 및 송전설비의 부담이 거의 없다.
4-6.연료사용의 유연성
연료전지에 사용되는 연료는 어떠한 전지를 사용하느냐에 따라 연료의 선택에 유연성을 가진다. 즉 인산형은 천연가스, 용융탄산염형은 석탄가스를 사용할수 있다.
5.향후전망
근래에는 환경장애 문제로 신규 발전설비의 건설입지 선정이 매우 어렵게 전망되고 있다. 특히 원자력발전소의 방사능 문제에 대한 여론의 악화,화력발전소의 배가스,분진,온배수문제가 주된 원인으로 등장하고 있다. 그러나 연료전지는 무공해 발전방식으로 전기 이외의 열공급이 가능하여 대규모 신도시 근교의 열병합발전소로 유망시 되고 있으며 전력계통 측면에서는 수요지 근방의 분산형 전원으로부터 대용량화력의 대체전원설비로 까지 광범위한 형태로 이용될수 있으리라 전망된다.
| 연료전지의 기술개발 현황 및 문제점 |
1.기술개발 현황
종류별 기술수준은 다음과 같다.
PAFC: 1991년부터 동경전력 발전소에서 11MW급이 실증운전중으로 발전단 효율이 42.9%에 달하여 이미 실용화 수준이다.
MCFC: 1992년 7월 관서전력과 히다찌 공동으로 100kW출력 실적이 있다. 미국에서는 ERC 주관으로 1994년 2MW급의 실증시험을 실시예정임
SOFC: 일본에서는 NEW-SUNSHINE 계획의 일환으로 1996년까지 10kW급 모듈을 목표로 연구중, 1990년 1kW급 성공
2.문제점
- 연료전지는 연료가스의 불순물에 대하여 매우 민감하게 반응하게 된다.
따라서 이들의 불순물을 제거하거나 이들에 견디는 전극재료의 개발이
중요한 과재로서 나타나고 있다.
- 현재까지는 내구성 등의 문제로 작동시간이 짧다.
: 현재는 수명이 약 5000시간 정도로 짧아 약 40000시간을 목표로 연구중
- 초기투자비가 비교적 많이 필요하다.
: 건설단가가 매우높아 11MW급에서 약 90만엔/kW 정도로 백금 사용량을
감축하는 것이 매우 중요한 과제임
- 전류밀도를 향상시켜 사용 부지면적을 줄인다.
: 현재는 0.3M2/kW 정도임
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