연료전지 종류별 특징 III PAFC, AFC & MCFC -...

연료전지 종류별 특징 III – PAFC, AFC & MCFC

6주차

대구가톨릭대학교 에너지신소재공학과

한윤수

■ 과목명: 연료전지이론

목 차

1. 인산형 연료전지

2. 알카라인형 연료전지

3. 용융탄산염 연료전지

4 연료전지이론

○ 주요 특징: 전해질로 액체 인산을 사용 [전해질은 SiC matrix에 함침시켜 사용] - 가장 성숙한 연료전지로서 최초로 상업용에 적용되었으며, 현재 300기 이상이 미국과 전 세계에서 사용 중 (1970년대 민간차원에서 처음 개발된 1세대 연료전지) - 일반적으로 정치형 동력원에 사용되지만, 도시형 버스와 같은 대형차량의 동력원으로도 사용 - PAFC는 PEMFC보다 연료개질 시 발생되는 불순물에 대한 저항력이 더 크다. - 전기와 열을 함께 사용하는 열병합발전 시 85% 효율, 전기를 단독으로 생산 시는 낮은 37~42% 효율

■ 인산형연료전지: Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)

인산형 연료전지의 작동원리

산화환원반응

UTC Power의

200 kW급 PAFC

PAFC 1. 인산형 연료전지

전기자동차의 충전소로 운영 되는 25 kW 인산형 연료전지

※ Melting point of H3PO4 = 42.35 °C


PAFC

○ PAFC 발전 시스템 구성

<인산형 연료전지의 패키지 구조>

※ 출처: 혼마 타쿠야 감수, 이인숙 옮김, “그림으로 보는 연료전지“, p.51, 교보문고(2007).

CH4 + 2H2O → 4H2 + CO2



PAFC

○ 100 & 200 KW PAFC 사양비교




알카라인형 연료전지의 작동원리

■ 알카라인형 연료전지: Alkaline Fuel Cell (AFC)

AFC

산화환원반응

세계최초의 연료전지 선박인 HYDRA

Anode : 2H2 + 4OH- → 4H2O + 4e-

Cathode : O2 + 2H2O +4e- → 4OH-

Overall : 2H2 + O2 → 2H2O

○ 주요 특징: 전해질로 수산화칼륨 수용액을 사용[전해질은 다공성 매트릭스(주로 석면)에 함침시켜 사용] - 진한(85%) KOH를 사용하는 고온용(205℃), 묽은(35-50%) KOH 사용하는 저온용(<120℃)이 있음 - 산화전극과 환원전극에서 촉매로 Pt외에 다양한 값싼 재료(Ni, Ag, 희금속류 등)를 사용할 수 있음 - 전지에서 발생하는 화학작용의 속도로 인하여 성능이 좋으며, 효율이 높아 우주에서 적용 시 약 60% 정도의 효율을 보임 - 연료전지 중에 제작 단가가 가장 싸다. - 최초로 개발된 연료전지 기술 중의 하나로, 1960년대 우주선에서 전기와 물을 생산하기 위하여 미국 우주 프로그램에 널리 사용 Eo

전지 = Eo환원전극 - Eo

산화전극

= 0.40V-(-0.83V) = 1.23V



AFC

○ AFC 응용분야의 한계

- 이산화탄소에 의해 쉽게 오염되는 단점이 있음

⇒ CO2 + 2OH- CO32- + H2O

⇒ OH-의 농도가 감소하므로 산화전극(연료극)에서의 반응속도가 감소

⇒ 점성이 증가하여 확산속도가 감소하므로 전류를 감소시킴

⇒ 탄산염은 용해성이 낮아 침전되므로 다공성전극의 공극을 막아서 전극손상을 유발함

⇒ 산소의 용해도가 감소되어 환원전극(공기극)에서의 반응속도 감소

⇒ 전해질의 전도도를 감소시킴

- 이러한 이유로 개질가스(hydrogen rich gas)와 공기를 사용하지 못하고 순수한 수소와 산소를

이용해야 함

- 저온에서 작동하는 PEMFC가 개발된 이후로 우주선 이외의 용도에는 거의 사용되지 않음

⇒ 우주선에서는 부피와 무게 등의 문제로 순수한 수소와 산소만을 이용할 수 밖에 없음



○ 주요 특징: 리튬-포타슘(Li-K) 혹은 리튬-소디움(Li-Na) 탄산염 - Carbonate 이온 생성을 위해 용융이 필요하므로 고온(약 650 ℃)까지 가열 필요: 고온에서 작동 - 전해질을 LiAlO2 세라믹 매트릭스에 체류시켜 사용 - 연료 대 전기 효율과 전체 에너지 사용 효율이 높음 - 단위셀 당 출력이 크고 전지의 대용량화가 가능 - 고부하 연속운전에 적합한 방식이며, 발전용으로 준 산업화되었음

■ 용융탄산염 연료전지: Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)

MCFC

용융탄산염형 연료전지의 작동원리

산화환원반응

FCE 사의 MCFC 발전시스템


Anode : H2 + CO32- → H2O + CO2 + 2e-

Cathode: 1/2O2 + CO2 + 2e- → CO32-

Overall : H2 + 1/2O2 + CO2 (cathode)→ H2O + CO2 (anode)


MCFC

○ 고온작동의 장단점

- 산화-환원 반응에 필요한 활성화에너지를 제공할 수 있어서 귀금속 전극(Pt, Ru 등)이 불필요

⇒ 전극재로서 Ni(산화전극), NiO(환원전극) 모체를 사용

- 고온조건에서는 내부개질(탄화수소 연료가 연료전지 자체 내에서 수소로 개질)이 가능하여

전체적인 시스템의 가격을 감소

- 개질기에서 발생되는 CO는 전지 내에서 H2O와 반응하여 H2를 생성하므로, 저온형 연료전지에서

요구되었던 CO 변성∙제거기가 불필요

⇒ 따라서 폐기물가스나 석탄가스를 연료가스로 이용할 수 있으므로 사용연료의 제약이 거의 없음

- 연료전지 본체에서 발생되는 폐열(수백도)을 이용하여 터빈을 돌려 발전하고, 발전 후 잔여 열을

난방으로 사용가능

⇒ MCFC 전체 시스템의 효율향상에 기여

* 일반적으로 열원의 온도가 높을 수록 열에너지 이용율이 높음. 즉 PEMFC의 경우 폐열이 80℃

정도로서 난방용으로만 사용가능하며 發電은 불가

- MCFC를 처음 작동시킬 때는 외부가열이 필요하나, 작동 중에는 열적으로 자립상태(외부 가열

없이도 고온이 유지)에 있음

- 고온에서 작동함으로 부식성의 전해질은 부품의 파손과 부식을 가속화하여 전지 수명을 감소시킴



MCFC

○ MCFC용 전해질 재료

- 혼합 전해질 사용시 단독 사용시 보다 융점(공융점; eutetic point)을 낮출 수 있음

- 융점이 낮아 지므로 단독 전해질 사용시 보다 동일온도에서 점도가 낮아짐

⇒ 낮은 점도에 의해 이온 전도율이 향상됨

- 용융 탄산염은 전극재료(NiO)인 Ni를 용해시키며, 혼합비와 알칼리금속 종류를 달리하면 Ni의

용해도를 낮출 수 있음

- 이상의 이유로 전해질은 Li2CO3 (62%)+K2CO3(38%) 혹은 Li2CO3(52%)+Na2CO3(48%) 주로 이용

알칼리 탄산염 조성비 녹는점 or 공융점(℃)

전도율@650℃ (S/cm)

Ni 용해도@650℃ (ppm)

Li2CO3 - 720 - -

Na2CO3 - 850 - -

K2CO3 - 901 - -

Li2CO3-Na2CO3 53.3 : 46.7 496 2.18 50

Li2CO3-K2CO3 62.0 : 38.0 488 1.05 22

Na2CO3-K2CO3 42.7 : 57.3 710 - -

Li2CO3-Na2CO3-K2CO3 43.5 : 31.5 : 25.0 397 1.48 60

알칼리 탄산 용융염의 용융온도, 전도율 및 Ni 용해도



MCFC

○ 연료극(산화전극) 재료 - Ni을 주성분으로 하고, Cr 혹은 Al을 소량 첨가한 다공성 재료를 이용 ⇒ 다공성 50~60%, 평균 홀(hole) 지름은 3~6 μm, 두께는 0.8 mm 정도 - 조건 ⇒ 고온에서 용융염에 접촉하여도 화학적인 안정성이 유지되고, 연료(H2)에 안정한 재료 ⇒ 전기화학적 촉매 성능이 우수하고, 연료기체에 존재하는 CO에 의해 피독되지 않을 것 ⇒ 전자 전도성이 우수할 것 ○ 공기극(환원전극) 재료 - 산화물 반도체인 NiO를 모체로 하고 Mg, Co, 혹은 Li이 소량 첨가된 다공성 재료를 이용 ⇒ 다공성 55~65%, 평균 홀(hole) 지름은 5~10 μm, 두께는 0.3~0.5 mm 정도 - 조건 ⇒ 높은 전자전도성 ⇒ 용융 탄산염에 안정하고, 고온의 공기(O2)에 안정한 재료 - 문제점 ⇒ 공기와 함께 공급되는 CO2와 반응하여 용융탄산염 속으로 용해되어 공기극의 강도를 떨어 뜨림 ∙ NiO + CO2 Ni2+ + CO3

2- ∙ NiO에 Mg 혹은 Co를 첨가하면 용융염으로의 Ni 용해도를 낮춤 ⇒ 니켈 이온이 연료극으로 확산한 후 수소와 반응하여 Ni 석출: 장기간 운전으로 두 전극의 단락우려 ∙ Ni2+ + H2 + CO3

2- Ni + H2O + CO2 ○ Bipolar plate(분리막) - 한쪽면이 Ni로 피복된 스테인레스강(stainless steel) 사용: SUS 316/Ni 혹은 SUS 310/Ni - 조건: 연료극(산화전극)에는 환원력이 강한 고온의 연료기체(H2)와 접촉, 공기극 (환원전극)에는 산화력이 강한 산소기체와 접촉하므로 분리막은 내 환원성과 내산화성이 요구 ⇒ 공기극(환원전극) 쪽은 stainless steel, 연료극(산화전극) 쪽에는 Ni이 접촉하도록 배치



MCFC

○ MCFC 구성재료 요약

※ 출처: “용융탄산염 연료전지 기술 및 사업현황“, Posco Power 발표자료 (2009).



MCFC

○ MCFC 발전시스템의 구성


Anode : H2 + CO32- → H2O + CO2 + 2e-

Cathode: 1/2O2 + CO2 + 2e- → CO32-

Overall : H2 + 1/2O2 + CO2 (cathode)→ H2O + CO2 (anode)



MCFC

○ MCFC 응용분야별 시장규모


구분



MCFC

○ 폐기물 및 바이오 가스를 원료로 이용한 MCFC 발전시스템의 구현 방안




MCFC

○ MCFC의 기술개발 동향



감사합니다.

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