[졸업][연료전지]연료전지의 특성과 활용방안

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2006.06.26 / 2019.12.24
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목차: Ι. 서 론 1
Ⅱ. 이론적 배경 3
1. 연료전지 3
1.1 정의 3
1.2 연료전지의 원리 3
1.3 연료전지의 구성 6
1.4 연료전지의 특성 7
1.5 연료전지의 장점 7
1.6 연료전지의 단점 8
1.7 연료전지의 발전시스템 구성 8
2. 연료전지의 종류 9
2.1 PAFC 인산형 연료전지 9
2.2 MCFC 용융탄산염 연료전지 11
2.3 SOFC 고체산화물 연료전지 14
2.4 PEMFC 고분자 전해질형 연료전지 19
2.5 DMFC 직접메탄올 연료전지 22
2.6 AFC 알칼리성 전해액 연료전지 24
Ⅲ. 연료전지의 응용분야 29
1. 연료전지 시장 29
2. 상업 및 산업용분야 29
2.1 휴대용 전자기기 30
3. 가정용 분야 30
3.1 전력생산 30
3.2 가전제품 30
4. 운수·교통 분야 31
4.1 자동차 31
4.2 항공기 36
5. 군사적 분야 36
Ⅳ. 연료전지 기술개발 동향 38
1. 연료전지 기술 38
2. 국내의 기술수준 분석 38
Ⅴ. 결 론 41

List of Tables

Table. 1. 수소의 전기화학 반응 4
Table. 2. SOFC의 기본반응 15
Table. 3. 국내외 SOFC 개발 현황 18
Table. 4. AFC의 기본반응 25
Table. 5. 연료전지의 종류 27
Table. 6. 연료전지 자동차의 개발현황 및 사양 32
Table. 7. 자동차용 연료전지의 특성 33
Table. 8. 연료공급방법 34
Table. 9. 전기자동차와 연료전지 자동차의 차이 35

List of Figures

Fig. 1.연료전지의 원리 6
Fig. 2.연료전지의 구성 6
Fig. 3.연료전지 발전시스템 구성도 8
Fig. 4.인산형 연료전지(PAFC)의 원리 11
Fig. 5.용융 탄산염 연료전지(MCFC)의 원리 13
Fig. 6.2kW급 가압 MCFC 스택 14
Fig. 7.고체산화물 연료전지(SOFC)의 원리 17
Fig. 8.고분자 전해질형 연료전지(PEMFC) 20
Fig. 9.고분자 전해질형 연료전지(PEMFC)의 원리 21
Fig. 10.일본의 가정용 고분자 연료전지 22
Fig. 11.직접메탄올 연료전지(DMFC)의 원리 23
Fig. 12.알칼리성 전해액 연료전지(AFC)의 원리 26
Fig. 13.연료전지와 열기관 효율 비교 28
Fig. 14.연료전지자동차 구성도 35
Fig. 15.연료 전지의 응용 분야 37
Fig. 16.한국에너지 기술연구원의 가정용 고분자 연료전지 시스템 39
Fig. 17.(주)세티의 가정용 고분자 연료전지 시스템 40

본문내용: 화석 연료의 사용량은 계속 증가하고 있으며, 화석 연료의 자원은 한계가 있다. 화석 연료의 공급량이 수요량에 미치지 못하는 시점부터 에너지 고갈의 문제가 발생하게 된다. 인간은 각종 첨단 기술을 이용해 지구 구석구석에 숨어 있는 석유까지 추출해 내는 성과를 이룩해 냈지만 점점 한계에 다다르고 있다. 석유는 결코 무한한 자원이 아니며, 과학자들은 40년쯤 후에는 완전히 바닥날 것이라고 전망하고 있다. 우리의 에너지 소비체계에서 고갈되어 가는 화석 연료인 석유의 의존도를 줄일 필요가 있다.
또한 화석 연료의 연소에 의하여 대기 오염이 증가하고 있으며, 자동차에 의한 대도심의 대기 오염은 갈수록 심각해지고 있다. 온실 가스 배출에 의해 지구의 기후는 계속 변화하고 있으며, 세계는 대기 오염 물질의 배출을 줄이기 위한 다각적인 활동을 하고 있다.
따라서 화석 연료 사용의 증가와 자원의 고갈로 인하여 유발되는 에너지 위기(Energy Crisis)에 대비하고 화석 연료의 연소로 인한 대기 오염, 또는 지구 온난화 현상에서 야기되는 부적 효과를 최소화하기 위해 환경에 영향을 미치지 않고 고갈의 문제가 없는 새로운 에너지원이 필요하게 되었다.
에너지 문제는 국가경제 및 산업 활동의 핵심 이슈가 되는 것으로 안정적으로 에너지를 공급하는 것은 국가 생존과 경제 성장의 기반이 되므로 에너지의 안정적 확보를 위한 대책 마련과 함께 미래 에너지 혁명에 대한 근본적인 대비가 필요하다. 이와 같은 시대·사회적 흐름과 함께 다양한 대체에너지에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있는데 그 중 주목할 만한 대체에너지로써 연료 전지가 있다.
연료 전지는, 천연 가스와 메탄올 등의 연료로부터 수소를 취득, 대기중의 산소와 반응시켜 전기를 만드는 발전 방식이다. 발전 효율이 대단히 높아 40～60% 정도이며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면, 최대 80% 가까이 에너지로 바꿀 수 있다. 게다가, 천연 가스와 메탄올, LPG(액화석유가스; propane gas), 나프타, 등유, 석탄 가스화가스등 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지자원을 확보하기 쉽고, 연료를 태우지 않기 때문에 지구 환경보호에도 기여할 수 있는 미래의 에너지다.
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2.3 Solid oxide fuel cell (SOFC 고체산화물 연료전지)

고체산화물 연료전지는 안정화 지르코니아(YSZ, Yttria stabilized zircornia)를 전해질로 하는 방식의 개발이 추진되고 있다. 따라서 액체 전해질 사용에 따른 누설의 문제가 없어 용융 탄산염 연료전지에 비해 안정하다. 고체 산화물 연료전지는 기체와 고체가 직접 맞닿아 있는 시스
템으로 수분 관리, 촉매 층의 수분 범람 또는 느린 산소 환원 반응 등에 대한 문제가 없다. 반면 고온에서의 동작에 필요한 열적, 화학적 안정성을 가진 물질을 찾는 것이 쉽지 않다. 고체 산화물 연료전지의 형태에 따른 장단점이 있는데 관모양의 셀은 평면형 셀에 비해 밀폐가 쉽다. 높은 전력 밀도를 얻기 위해서는 조밀한 구조가 바람직하다. Fuji Keizai. 연료전지관련기술·시장실태 총조사. Soc. 12,107. (2002)
고체 산화물 연료전지의 고온 배기가스와 발생하는 열을 내부 개질기에 사용하고 폐열 발전 사이클과 결합시키면 높은 효율(복합싸이클에서 70%까지)을 얻을 수 있다. 예를 들어, 연료전지와 가스터어빈을 결합시켜 공기가 터어빈의 압축기에서 압축되고, 복열기에 의해 데워지면 그 효율을 크게 높일 수 있다.
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4.2 항공기

미국의 보잉(Boeing)사에서 적극적으로 비행기용 연료전지 개발을 추진 중이며, 현재 연료 전지를 이용한 프로펠러 동력 비행기를 개발하고 있으며 향후 제트엔진 비행기에도 연료 전지를 이용할 계획이다. 종래 제트 엔진 비행기의 보조 전력 장치는 운행 중에는 충전이 불가능하여 이륙 전 대기 상태에서 엔진을 가동하여 전력을 생산하기 때문에 비효율적이었지만 연료 전지를 이용한 보조 전력 장치로 대체시킬 경우에 체공 중에도 전력을 공급할 수 있어 효율성을 향상시킬 수 있다.
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(중략)

참고문헌: 1. 강현무,김은선,배상진,김기일,김재우. 연료전지. 이룸. 4～6,9～13. (2002)
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4. 김석진. 연료전지자동차. 이룸. 25. (2003)
5. Yano Keizai Inst. 고체고분자형 연료전지(PEFC)의 현상과 장래전망. 30,81. (1998)
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14. Kordesch. Fuel cells and their Applications. VCH. 73～76. (1996)
15. Hoogers,Gregor. Fuel cell technology handbook. CRC Press. 196 (2003)
16. Fuel cell systems expla

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