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연료 전지

연료 전지

연료전지(Fuel Cell)의 전해질에 따른 종류를 제시하고 발전효율에 대해 설명하시오.

연료전지의 일반적인 특징과 가정용으로 사용시 시스템 구성에 대하여 설명하시오

개요

1) 연료전지는 음극에 수소, 양극에 산소를 공급하여 전해질 내에서 산화와 환원반응(화학반응)을 이용한 전기를 생산하는 방식
2) 연료전지는 발전효율이 40~60% 정도로 높고, 그 배열까지 이용하게 되면 종합효율이 80% 정도로 가능함.

원리 및 구성

원리

음극에서 수소가스를 주입하여 백금을 만나면 산화반응이 일어나 [2H+, 2e-]로 분리되고, 수소는 전해질을 통해서 양극으로 이동하여 산소와 결합하여 물이 되고, 전자는 음극에서 양극으로 도선을 통해서 이동하며 전기를 생산한다.

연료전지

(1) 음극(수소극)

\[H_2\to 2H^++2e^-(산화반응)\]

수소가 음극에서 전자와 수소 이온으로 되며, 전해질 속을 지나 양극에 이동하고 전자는 도선을 타고 양극으로 이동한다

(2) 양극(산소극)

\[\frac{1}{2}O_2+2H^++2e^-\to H_2O(환원반응)\]

음극에서 온 수소와 산소가 결합하여 물을 생산한다.

구성

연료전지

(1) 개질기 : LNG(천연가스), LPG, 나프타, 메탄올 등의 연료로부터 수소를 제조
(2) 연료전지: 수소와 산소를 반응시켜 물과 직류전기를 발생
(3) 인버터: 직류전력을 교류전력으로 변환

전해질의 종류

구분인산형(PAFC)용융 탄산염형(MCFC)고체 전해질형(SOFC)고체 고분자형
(PEFC)
연료천연가스LPG
나프타
경질유  
천연가스
LPG
나프타
메탄올
경질유
석탄가스
천연가스
LPG
나프타
메탄올
경질유
석탄가스
천연가스
LPG
나프타
메탄올  
전해질인산수용액리튬-나트륨계 탄산염
리튬-칼륨계 탄산염
질코니아계
세라믹스
고분자막
작동온도200℃650~700℃900~1000℃70~90℃
발전효율35~42%45~60%45~65%30~40%
특징실용화가 가장가깝다고효율 발전내부 개질이 가능고효율발전내부개질이 가능저온에서 작동고에너지 밀도이동용 동력원 및소용량 전원에적합

특징

장점

① 환경상 문제가 없어 수용가 근처에 설치가 가능
② 부하조정이 용이하고, 저부하에서 효율저하가 적다.
③ 에너지 변환효율이 높다.
④ 다양한 연료사용으로 석유 대체 효과 기대
⑤ 단위 출력당의 용적 또는 무게가 작다.
⑥ 설비의 모듈화가 가능해서 대량생산이 가능하고, 설치공기가 짧다.

단점

① 반응가스 중에 포함되어 있는 불순물 제거 필요함.
② 가격이 비싸고 내구성이 약하다.
③ 불순물에 견딜 수 있는 전극재료의 개발 필요하다.
④ 충·방전의 한계수명 보유로 작동시간이 짧다.

※ LNG(Liquid Natural Gas): 액화 천연가스
→ 지하에 매장된 천연가스로 주성분은 메탄

※ LPG(Liquid Petroleum Gas): 액화 석유가스
→ 석유의 정제과정에서 얻어진 것으로 주성분은 프로판, 부탄

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