신에너지 재생에너지
태양광설비
태양전지모듈 선정시 고려사항
태양광발전설비 설계
태양광 발전 파워컨디셔너
풍력에너지
건축물 구내 및 옥상 등에 설치한 풍력발전설비
풍력발전시스템의 낙뢰 피해와 피뢰대책
풍력발전설비의 검사사항
해양에너지 발전
에너지 하베스팅
목차(연료전지)
연료전지
연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접전기에너지로 변환시키는 기술
생성물이 전기와 순수인 발전효율이 30~40%, 열효율 40% 이상으로 총70~80%의 효율을 갖는 신기술이다.
1️⃣연료전지 발전원리
1)전지원리
- 연료 중 수소와 공기 중의 산소가 전기 화학 반응에 의해 직접 발전하는 방식이다
- 연료극에 공급된 수소는
ㄱ 수소이온과 전자분리→
ㄴ 수소이온은 전해질 층을 통해 공기극으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극으로 이동→
ㄷ 공기극쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물을 생성
→최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열이 생성
2)System구성
- 개질기
천연가스 등에서 수소를 걸러내는 장비
연료전지에 필요한 수소를 안전하게 공급하는 시스템입니다. 수소 저장 탱크, 수소 정제 장치 등으로 구성됩니다.
- 연료전지 스택
수소와 산소를 결합시켜 물과 열을 만들어내고 열을 전기에너지로 만들어 내는 설비
실제로 전기를 생산하는 핵심 부품입니다. 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 생성하며, 여러 개의 단위 셀이 쌓여 스택을 이룹니다.
- 인버터
직류 부하에서 사용하는 교류로 바꾸어 내는 설비
연료전지에서 생성된 직류 전기를 가정에서 사용할 수 있는 교류 전기로 변환하는 시스템입니다.
- 열 회수 시스템: 연료전지 작동 시 발생하는 열을 회수하여 난방이나 온수 공급에 활용하는 시스템입니다.
2️⃣연료전지의 종류
| 구분 | 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC) | 인산형 연료전지 (PAFC) | 용융 탄산염 연료전지 (MCFC) | 고체 산화물 연료전지 (SOFC) |
|---|---|---|---|---|
| 전해질 | 고분자 막 | 인산 | 탄산염 | 지르코니아 |
| 온도 | 80℃ 이하 | 170~200℃ | 650℃ | 1,000℃ |
| 연료 | 수소 | LNG, LPG | LNG | LPG |
| 발전효율 | 50~60% | 40~50% | 45~55% | 45~55% |
| 특징 | 고효율, 빠른 응답 속도, 경량 | 저 고용량 대응 | 저용량에 부적합 | 고용량에 부적합 |
| 과제 | 고온에서 성능 저하, 수소 정제 필요 | cost저감 | 수명연장 | 세라믹기술 |
| 사용시기 | 1993년부터 | 2000년부터 | 2005년부터 | |
| 주요용도 | 수송용, 휴대용 전원 | 발전용 | 발전용 | 발전용, 열병합 발전 Sheets로 내보내기 |
3️⃣연료전지의 장점
- 높은 에너지 효율: 열에너지를 회수하여 활용할 수 있어 전체 에너지 효율이 높습
- 친환경성: 연소 과정이 없어 대기오염 물질 배출이 거의 없습
- 연속 발전: 연료가 공급되는 한 지속적으로 전기를 생산
- 저소음: 소음이 적어 주거 지역이나 도시 지역에도 설치가 용이
- 부하의 응답성이 높다
- 송전손실이 낮다
- 공사기간이 단축된다
- 입지의 제약이 적다
4️⃣연료전지의 단점
- 발전소 건설비용이 높다
기존 화력발전소는 [kW]당 1,200[$]소요되나, 연료전지는 3,000[$]이상 필요 - 연료전지의 수명과 신뢰성을 향상시키는 기술적 연구 개발 필요
5️⃣향후전망
- 가정용 : 수~수십[kW]정도, 도시가스 이용 전력과 열 생산
- 호텔, 병원 등 : 수십~수천[kW]정도, 열원 이용 발전효율 증대 및 Peak-Cut
- 분산형 전원 : 수천~수만[kW]정도, 수용가 인근에 설치하여 전력비 절감
- 화력발전 대체용 : 수백[kW]이상 규모로 석탄의 친환경 이용 및 첨주부하 제어용으로 적용
- 기타 : 자동차 동력원, 이동용 전원 등에 이용
6️⃣연료전지의 활용 분야
- 발전: 대규모 발전소부터 가정용 발전 시스템까지 다양하게 활용
- 수송: 자동차, 선박, 드론 등에 동력원으로 사용
- 휴대용 전원: 노트북, 휴대폰 등 소형 전자기기에 사용
- 건물용 열병합: 건물의 난방과 급탕에 필요한 열과 전기를 동시에 생산
가정용 연료전지
가정용 연료전지 시스템의 장점
- 고효율: 전기와 열을 동시에 생산하여 에너지 효율을 높일 수 있습
- 친환경: 대기 오염 물질 배출이 적어 쾌적한 주거 환경을 조성할 수 있습
- 에너지 자립: 가정에서 스스로 전기를 생산하여 에너지 자립도를 높일 수 있습
- 정전 시에도 사용 가능: 전력망과 무관하게 작동할 수 있어 정전 시에도 전기를 사용할 수 있습
가정용 연료전지 도입 시 고려 사항
- 초기 설치 비용: 시스템 설치 비용이 비교적 높습
- 수소 공급 인프라: 수소 공급 인프라가 아직 충분히 구축되어 있지 않아 불편함을 겪을 수 있습
- 안전성: 수소는 가연성 물질이므로 안전 관리에 대한 철저한 교육이 필요합
신에너지 재생에너지
태양광설비
태양전지모듈 선정시 고려사항
태양광발전설비 설계
태양광 발전 파워컨디셔너
풍력에너지
건축물 구내 및 옥상 등에 설치한 풍력발전설비
풍력발전시스템의 낙뢰 피해와 피뢰대책
풍력발전설비의 검사사항
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목차(연료전지)
연료전지
💯기출문제
●F01연료전지에 대하여 설명하시오
●F02연료전지의 원리를 그리고 설명하시오
●F03발전소 연료전지의 기술현황과 응용기술에 대하여 설명하시오
연료전지의 원리
연료전지시스템의 구성과 특징
연료전지의 종류
●F04연료전지의 전해질에 따른종류를 제시하고 발전효율에 대하여 설명하시오
○F05연료전지의 일반적인 특징과 가정용으로 사용 시 시스템 구성을 설명하시오
●F06연료전지의 스택에서 모노폴리스택을 설명하시오
모노폴리스택이란?
모노폴리스택은 연료전지 스택의 한 종류로, 양극판과 음극판 중 하나를 공유하여 제작된 스택을 의미합니다. 일반적인 연료전지 스택은 양극판과 음극판이 각각 분리되어 있는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)를 사용하는 반면, 모노폴리스택은 양극판 또는 음극판 중 하나를 공유하여 스택을 구성합니다.
모노폴리스택의 특징 및 장단점
- 장점:
- 제작 단순화: 바이폴라 플레이트를 사용하는 일반적인 스택에 비해 제작 과정이 간단하고, 제작 비용을 절감할 수 있습니다.
- 경량화: 부품 수가 줄어들어 스택의 무게를 줄일 수 있습니다.
- 고밀도 적층: 공간 효율성이 높아 더 많은 셀을 적층할 수 있습니다.
- 단점:
- 성능 저하: 양극판 또는 음극판을 공유하기 때문에 성능이 일반적인 스택보다 다소 저하될 수 있습니다.
- 내구성 문제: 공유된 전극에서 국부적인 전류 밀도가 높아져 부식이 발생하거나 성능이 저하될 가능성이 있습니다.
- 가스 누출 가능성: 가스 밀봉이 어려워 가스 누출이 발생할 가능성이 있습니다.
모노폴리스택의 종류
- 단일 모노폴: 양극판 또는 음극판 중 하나만 공유하는 방식
- 이중 모노폴: 양극판과 음극판 모두 공유하는 방식
모노폴리스택의 활용 분야
모노폴리스택은 주로 소형 연료전지 시스템이나 특수한 환경에서 사용됩니다. 예를 들어, 드론, 로봇 등의 소형 기기에 적용되어 경량화와 소형화를 구현하는 데 활용될 수 있습니다.
●F07연료전지설비의 보호장치, 비상정지장치, 모니터링 설비
연료전지 설비는 수소 등의 가연성 물질을 사용하고 고온, 고압의 환경에서 작동하기 때문에 안전 확보가 매우 중요합니다. 이를 위해 다양한 보호 장치, 비상 정지 장치, 모니터링 설비가 설치되어 운전 중 발생할 수 있는 위험을 사전에 감지하고 대처합니다.
1. 보호 장치
- 과전류 보호 장치: 연료전지에 과도한 전류가 흐를 경우, 시스템을 보호하기 위해 자동으로 전원을 차단합니다.
- 과압력 보호 장치: 연료 가스 또는 공기의 압력이 설정값을 초과할 경우, 안전밸브 등을 통해 압력을 해소하거나 시스템을 정지시킵니다.
- 과온도 보호 장치: 연료전지의 온도가 설정값을 초과할 경우, 냉각 시스템을 가동하거나 시스템을 정지시킵니다.
- 누수 감지 장치: 수소, 공기 등의 누수를 감지하여 경보를 발하고 시스템을 정지시킵니다.
- 화재 감지 장치: 화재 발생 시 자동으로 소화 시스템을 작동시키거나 시스템을 정지시킵니다.
2. 비상 정지 장치
- 비상 정지 버튼: 위험 상황 발생 시 운전자가 직접 누르는 비상 정지 버튼입니다.
- 안전 제어 시스템: 다양한 센서 데이터를 기반으로 위험 상황을 판단하고 자동으로 시스템을 정지시키는 시스템입니다.
- 연료 차단 장치: 위험 상황 발생 시 연료 공급을 차단하여 추가적인 사고를 방지합니다.
- 냉각수 차단 장치: 위험 상황 발생 시 냉각수 공급을 차단하여 시스템 손상을 방지합니다.
3. 모니터링 설비
- 온도 센서: 연료전지의 각 부분 온도를 측정하여 이상 유무를 감시합니다.
- 압력 센서: 연료 가스, 공기 등의 압력을 측정하여 이상 유무를 감시합니다.
- 유량 센서: 연료 가스, 공기 등의 유량을 측정하여 이상 유무를 감시합니다.
- 전압/전류 센서: 연료전지의 전압과 전류를 측정하여 성능을 감시하고 이상 유무를 판단합니다.
- 가스 센서: 수소, 일산화탄소 등 유해 가스 누출을 감지합니다.
- 진동 센서: 설비의 진동을 측정하여 이상 유무를 감시합니다.
- SCADA 시스템: 상위 감시 제어 시스템으로, 다양한 센서 데이터를 수집하고 분석하여 시스템 상태를 실시간으로 모니터링하고 제어합니다.
모니터링 데이터 활용
수집된 모니터링 데이터는 다음과 같이 활용됩니다.
- 고장 예측: 데이터 분석을 통해 고장 발생을 예측하고 사전에 조치를 취함으로써 시스템 가동률을 향상시킵니다.
- 성능 평가: 연료전지 시스템의 성능을 평가하고 최적화하기 위한 데이터를 제공합니다.
- 운전 최적화: 실시간 데이터를 기반으로 시스템 운전 조건을 최적화하여 효율을 높입니다.
- 안전 관리: 이상 징후를 조기에 감지하여 안전 사고를 예방합니다.
●F08연료전지 발전에 대하여설명하시오
●F09연료전지 발전설비의 정의와 시스템 구성요소의 각 기능에 대하여 설명하시오
신에너지 재생에너지
태양광설비
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풍력발전시스템의 낙뢰 피해와 피뢰대책
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