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Fuel Cell Research Center

Fuel CellFuel Cell

Lab. of Energy Conversion & Storage MaterialsLab. of Energy Conversion & Storage Materials

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Edited by S. B. MaEdited by S. B. MaEdited by S. B. MaEdited by S. B. Ma

Directed by K. B. KimDirected by K. B. KimDirected by K. B. KimDirected by K. B. Kim

Lab. of Energy Conversion & Storage Materials

목 차

� 개념

� 종류

� 작동 원리

� 기본 구조

� 성능 평가

� 응용분야


연료전지란?

연료전지

수소

산소

전기

열열열열

물물물물

연료전지 = Fuel cell

� 연료를 태워 직접 전기와 물을만들어 내는 발전장치


연료전지란?

� 기존 화력발전의 발전방식

� 연료전지의 발전방식

화학에너지화학에너지화학에너지화학에너지 열에너지열에너지열에너지열에너지 기계에너지기계에너지기계에너지기계에너지 전기에너지전기에너지전기에너지전기에너지

전기에너지전기에너지전기에너지전기에너지화학에너지화학에너지화학에너지화학에너지

� 높은 효율

� 무공해 & 무소음

� 열병합 발전 가능


연료전지의 종류

� Low temperature Fuel Cells (LTFC)

� Alkaline Fuel Cell (AFC)

� Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC)

� Direct Methanol Fuel Cell (DMFC)

� Medium and High Temperature Fuel Cells [MHFC]

� Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)

� Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)

� Solid Oxide Fuel Cell (SOFC)

� [~] Fuel Cell �� 전해질의전해질의전해질의전해질의 종류에종류에종류에종류에 따라따라따라따라 구분된다구분된다구분된다구분된다.


작동 원리

� 물의물의물의물의 전기전기전기전기 분해분해분해분해 � 연료전지의연료전지의연료전지의연료전지의 원리원리원리원리

2H2 + O2 2H2O2H2O 2H2 + O2

전기에너지 전기에너지


작동 원리

OHH

H H

O

OH

HO

H H

Chemical energy

Stage of reaction

Potential energy

활성화에너지활성화에너지활성화에너지활성화에너지

2H2 + O2 2H2O


작동 원리 – (LTFC)

H

H

H+

H+

O O2-

e

e

O2-

H+

H+

O O

HH

H H

e

e

e

e

H+

H+

H+

H+ O2-H+

H+O2-

H+

H+

OHH H H

O

e

e

e

e

H+

H+

H+

H+

� 전해질

� H+ 이온 통과

� e- 부도체

� 3 상계면

� 전해질/전극/기체

전해질전해질전해질전해질


기본 구조 – (LTFC)


연료극연료극연료극연료극Anode Anode Anode Anode 공기극공기극공기극공기극

CathodeCathodeCathodeCathode

Electrical

Circuit

H+

e

수소수소수소수소

산소산소산소산소

물물물물


기본 구조 : 다공성 전극

� 다공성 전극의 역할

� 반응이 일어날 수 있는 넓은 표면적 제공

� 전자의 이동 통로

� 유동 중인 기체와 전해질 분리

Electrolyte

H+H2 O2


촉매촉매촉매촉매 입자입자입자입자

e

� 전극 이란 = 반응이 일어나는site들의 집합체이다


기본 구조 : 전해질

� 전해질

� 이온의 이동통로

� 전자 이동 차단

� 연료와 산소 분리

O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O

Electrolyte

2H2 → 4H+ + 4e-

H2

O2

O2 + 2CO2 + 4e- → 2CO32-

Electrolyte

2H2+2CO32- → 2H2O+2CO2+4e

-

H2

O2 CO2

H+ CO32-

O2 + 4e- → 2O2-

Electrolyte

2H2+2O2- → 2H2O+4e

-

H2

O2

O2-

고분자전해질 연료전지(∼80 oC)

용융탄산염 연료전지(∼650 oC)

고체산화물 연료전지(∼800 oC)

H+

e 연료극연료극연료극연료극


공기극공기극공기극공기극

O2

H2


기본 구조 : 분리판

� 분리판

� 단위전지를 전기적으로 연결

� 연료와 산화제 분리

� 전기적으로 도체 & 낮은 기체 투과도

� 전극면적 전체에 반응 가스 공급 / 생성물 제거

Electrolyte 분리판

연료극연료극연료극연료극End Plate

전해질전해질전해질전해질공기극공기극공기극공기극

분리판분리판분리판분리판

전류 (i)


기본 구조 : 스택


기본구조 : 고분자전해질 연료전지

전극전극전극전극 및및및및 전해질전해질전해질전해질 분리판분리판분리판분리판

7 kW 100-cell 스택스택스택스택PEMFC


기본구조 : 용융탄산염 연료전지

전극전극전극전극 분리판분리판분리판분리판

스택스택스택스택

MCFC


성능 평가 : I-V 곡선

Loader

0 400 800 1200 1600 20000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Cell voltage / V

Current density / mA cm-2

전류

전압

0 400 800 1200 1600 20000

100

200

300

400

500

600

700

Power density / mW cm

-2

Current density / mA cm-2

P = VI

연료극연료극연료극연료극End Plate

전해질전해질전해질전해질공기극공기극공기극공기극

분리판분리판분리판분리판

전류

전압


성능 평가 : Current Interrupt

� 활성화 분극

� 전극/전해질 계면에 전하 저장 : ‘축전기’

전극전극전극전극


O2 + 4e- + 4H+ 2H2O

Ohmic 저항

이중층 축전용량

활성화 저항

d

AC ε=

V

Time

Time of current interrupt

Immediate rise in voltage, Vr

Slow final rise to OCV, Va


성능 평가 : Current Interrupt

V

Time

Vr

Va

V

Time

Negligible Vr

Va

V

Time

Vr

Va

직접메탄올 연료전지80 oC, 메탄올/산소

고분자전해질 연료전지80 oC, 수소/산소

고체산화물 연료전지700 oC, 수소/산소


성능 평가 : Impedance

Potentiostat

전류 전압

FRA

V

Time

Ohmic저항저항저항저항 활성화활성화활성화활성화저항저항저항저항

물질이동물질이동물질이동물질이동저항저항저항저항


응용 분야

� 발전

� 수송

� 정보통신

MCFC, SOFC

PEMFC

DMFC

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