신재생에너지란?
연료전지
연료전지 개요
- 연료전지(fuel cell)란 연료가 가진 화학에너지를 전기화학반응을 통해 직접 전기에너지로 바꾸는 에너지 변환 장치로서, 배터리와는 달리 연료가 공급되는 한 재충전 없이 계속해서 전기를 생산할 수 있고, 반응 중 발생된 열은 온수생산에 이용되어 급탕 및 난방으로 가능하다.
연료전지 원리 및 구조
개질기
- 화석연료인 천연가스(LFG), 메탄올, 석탄, 석유 등을 수소 연료로 변환시키는 장치
스택
- 수소로 부터 전기를 생성하는 발전부
전력변환기
- 연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류전기(AC)로 변환시키는 장치
폐열회수장치
- 폐열을 회수하여 급탕 또는 온수를 공급해주는 장치
연료전지 기술
연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술
- H2+ 1/2O2→ H2O + 전기
- 생성물이 전기와 순수(純水)인 발전효율 30~40%, 열효율 40% 이상으로 총 70~80%의 효율을 갖는 신기술임
| 구분 | 알카리 (AFC) |
인산형 (PAFC) |
용융탄산염형 (MCFC) |
고체산화물형 (SOFC) |
고분자전해질형 (PEMFC) |
직접메탄올형 (DMFC) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 전해질 | 알카리 | 인산염 | 탄산염 | 세라믹 | 이온교환막 | 이온교환막 |
| 동작온도(℃) | 120 이하 | 250 이하 | 700 이하 | 1,200 이하 | 100 이하 | 100 이하 |
| 효율(%) | 85 | 70 | 80 | 85 | 75 | 40 |
| 용도 | 우주발사체 전원 | 중형건물 (수십~수백㎾) | 중·대형건물 (100㎾~㎿) | 소·중·대용량 발전(1㎾~㎿) | 가정·상업용 (1~수십㎾) | 소형이동 (1㎾ 이하) |
| 특징 | CO 내구성 큼, 열병합대응 가능 | 발전효율 높음, 내부개질 가능, 열병합대응 가능 | 발전효율 높음, 내부개질 가능, 복합발전 가능 | 저온작동 고출력밀도 | 저온작동 고출력밀도 |
*AFC(Alkaline Fuel Cell), PAFC(Phosphoric Acid FC), MCFC(Molten Carbonate), SOFC(Solid Oxide), PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane), DMFC(Direct Methanol) → 순서대로 기술발전 단계임
각 연료전지 발전 현황
알칼리형(AFC : Alkaline Fuel Cell)
- 1960년대 군사용(우주선 : 아폴로 11호)으로 개발
- 순 수소 및 순 산소를 사용
인산형(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell)
- 1970년대 민간차원에서 처음으로 기술개발된 1세대 연료전지로 병원, 호텔, 건물 등 분산형 전원으로 이용
- 현재 가장 앞선 기술로 미국, 일본에서 실용화 단계에 있음
용융탄산염형(MCFC : Molten Carbonate Fuel Cell)
- 1980년대에 기술개발된 2세대 연료전지로 대형발전소, 아파트단지,대형건물의 분산형 전원으로 이용
- 미국, 일본에서 기술개발을 완료하고 성능평가 진행 중(250㎾ 상용화, 2MW 실증)
고체산화물형(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)
- 1980년대에 본격적으로 기술개발된 3세대로서, MCFC보다 효율이 우수한 연료전지, 대형발전소, 아파트단지 및 대형건물의 분산형 전원으로 이용
- 최근 선진국에서는 가정용, 자동차용 등으로도 연구를 진행하고 있으나 우리나라는 다른 연료전지에 비해 기술력이 가장 낮음
고분자전해질형(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane)
- 1990년대에 기술개발된 4세대 연료전지로 가정용, 자동차용, 이동용 전원으로 이용
- 가장 활발하게 연구되는 분야이며, 실용화 및 상용화도 타 연료전지보다 빠르게 진행되고 있음
직접메탄올연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)
- 1990년대 말부터 기술개발된 연료전지로 이동용(핸드폰, 노트북 등) 전원으로 이용
- 고분자전해질형 연료전지와 함께 가장 활발하게 연구되는 분야임
[자료출처 : 한국에너지공단 신재생에너지센터]