연료전지(Fuel Cell)
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소개글

연료전지(Fuel Cell)에 대한 보고서 자료입니다.

목차

제 1 장 서 론 1
제 2 장 연료전지의 역사와 원리 2
2.1 연료전지의 현재와 과거 2
2.2 연료전지의 원리 3
2.3 연료전지의 구성 4
2.4 연료전지의 특징 5
2.5 연료전지용 연료개질 기술 7
2.6 연료전지의 종류 9
2.6.1 고체고분자형 연료전지(PEFC) 9
2.6.2 인산형 연료전지(PAFC) 11
2.6.3 용융탄산염형 연료전지(MCFC) 12
2.6.4 고체산화물형 연료전지(SOFC) 13
2.6.5 Alkarine fuel cell (AFC 알칼리성 전해액 연료전지) 14
2.6.6 직접메탄올형 연료전지(DMFC) 15
2.6.7 재생형 수소연료전지(RFC:reversible Fuel cell) 16
2.6.8 리독스플로전지 16
2.6.9 브로하이드라이브 고성능 소형 연료전지 17
2.6.10 음식물 쓰레기의 바이오가스를 이용한 PAFC 17
2.6.11 가축분뇨의 바이오 가스를 이용한 연료전지 17
2.6.12 마이크로 연료전지 18
제 3 장 연료전지의 특성 및 응용분야 20
3.1 연료전지의 특성 20
3.2 연료전지의 응용 20
제 4 장 연료전지 기술개발 동향 24
4.1 광촉매 활용 수소제조기술 24
4.2 생물학적 수소제조기술 25
4.3 전기분해에 의한 수소제조기술 26
4.4 고압기체 수소저장기술 26
4.5 저온액체 수소저장기술 27
4.6 저장합금을 이용한 수소저장기술 27
4.7 탄소나노재료를 이용한 수소저장기술 28
제 5 장 주요국가의 기술 개발 현황 30
5.1 수송용 연료전지 30
5.2 가정용/발전용 연료전지 33
5.3 휴대용 연료전지 36
제 6 장 보급현황 40
제 7 장 결 론 41
참고문헌 43

<그림 목차>
fig 1 연료전지셀과발전프로세스 4
fig 2 연료전지의 구성 4
fig 3 발전효율의 비교 6
fig 4 수소제조도 6
fig 5 신촉매기술에 의한 연료전지용 개질 시스템의 개량 8
fig 6 PEFC의 발전원리 11
fig 7 인산형 연료전지의 원리 12
fig 8 용융탄산염형 연료전지의 작동원리 13
fig 9 DMFC의 발전원리와 전극반응 16
fig 10 연료전지의 응용 분야 21
fig 11 Ford Focus FCV 31
fig 12 한국과학기술연구원(KIST)의 5kW급 스택 32
fig 13 2004년 개발된 80kW급 투싼 연료전지 자동차 32
fig 14 세계 최초로 실용화한 가정용 연료전지(교쿄가스 개발) 34
fig 15. GS퓨얼셀의 1kw급 가정용 연료전지 열병합 시스템 35
fig 16 포스코의 250kw급 연료전지 시스템 발전 35
fig 17 국내 개발 휴대용 연료전지 39
fig 18 KIST의 소형 개미산 연료전지 시스템 39
fig 19 연료전지 시스템 보급 현황 누계 40

<표 목차>
table 1 연료전지의 개발의 역사 2
table 2 전해질에 따른 연료전지의 분류 9
table 3 SOFC의 기본반응식 13
table 4 AFC의 기본 반응식 15
table 5 주요 선진국의 2002년도 연료전지 보급 현황 40

본문내용

물로부터 광촉매를 이용하여 제조되어야 할 것이다.
4.2 생물학적 수소제조기술
이 기술에는 물을 직접 분해하는 직접적인 방법과 물을 기질로 이용한 광합성 미생물에 의한 수소제조법 등의 간접적인 방법, 식물체내 엽록체및 미생물 효소를 추출하여 균체 외(in vitro)에서 수소를 발생시키는 기술, 광합성 세균의 일산화탄소 전환 반응에 의한 수소제조기술 등이 있다. 조류(algae)나 박테리아(bacteria)가 태양을 에너지원으로 사용하여 수소를 생산하는 방법도 있다. 미생물에 의한 수소생산 기술은 동시에 산소발생, 이산화탄소 흡수 등 수소 생산 과정이 매우 환경친화적일 뿐만 아니라 비타민, 색소, 피부암 치료제 등의 고부가가치 부가산물의 생산도 가능하여 현실화 가능성이 크다. 열화학적 수소제조기술열화학적 사이클에 의한 수소제조방법은 3,300K 이상의 온도에서 수행되는 직접 열분해에 의한 물분해 과정을 산화환원이 용이한 매개체 물질을 사용한 화학반응을 이용하여 단계적 반응으로 나누어 1,300K이하의 온도에서 물을 분해하는 폐 사이클을 구성하는 기술이다. 직접적인 물 분해에 의한 수소제조 방법은 고온이 요구되어 현실상 문제가 있으며, 또한 실제 고온을 얻을 수 있다 하더라도 고온에서 실행되는 설비시스템에 필요한 내구성을 갖춘 재료를 찾는데 어려움이 있다. 따라서 열화학적 수소제조 공정에서는 물 분해 과정을 다단계 반응으로 나누어 비교적 낮은 온도에서 수소를 제조할 수 있도록 매체를 활용하며, 다단계 열화학적 분해 과정을 이용한다.
4.3 전기분해에 의한 수소제조기술
전기분해는 전류를 물에 통과시켜 수소와 산소로 분해하는 방법인데, 이때 음극에서는 수소가, 양극에서는 산소가 얻어진다. 전기분해로 생산되는 수소는 고순도이기는 하나 전기를 에너지원으로 사용하기 때문에 제조가격이 매우 비싸다는 단점이 있다. 전기분해로 제조한 수소가격은 현재 천연가스로부터 제조하는 경우보다 약 10배정도 더 비싸다. 그러나 지구상에 물이 풍부히 존재하며 재생 가능하므로 발전기술이 더 발달한다면 전기분해는 미래의 수소제조기술로 크게 관심을 끌게 될 것이다.
4.4 고압기체 수소저장기술
고압기체 수소저장은 기체 상태의 수소를 압축기(compressor)로 압축하여 고압 연료용기에 350~700기압의 상태로 채워서 단위 체적당 에너지 밀도를 증가시켜 수소를 저장하는 기술을 말한다. 이러한 350~700기압 고압용기에 저장된 연료는 압력 조정기를 거쳐 상압까지 감압시킨 후 가스/공기 혼합기를 거쳐 이용된다. 이러한 고압용기 충전방법 기술들은 정치형(定置型) 이외에 수소/천연가스 자동차와 같은 이동형(移動型)에도 운용되고 있으며, 고압용기에 대한 안전기준이 확립되어 있고 취급도 용이하다. 그러나 고압상태에도 불구하고 기존 액체 연료에 비해 에너지밀도가 매우 낮으므로 연료 수송에 제한을 받고 있다. 이외에도 낮은 체적에너지 밀도로 인한 연료용기의 공간확보와 고압으로 압축 충전하는데 필요한 압축기의 구동 동력 등 종합적인 에너지 효율을 고려해야 한다.
4.5 저온액체 수소저장기술
수소는 대기압 하에서 -253℃이하가 되어야 액체상태로 존재하기 때문에 극저온냉동기를 이용한 수소액화기술이 필요하다. 상온상압(1기압,298K)의 수소를 1기압의 액체(20K)로 액화할 때, 등온압축과 단열팽창으로 이루어진 과정이 실제로 이루어지기 위해서는 압축압력이 수천내지 수십만 기압이 되어야하므로 현실적으로는 불가능하다. 따라서 압축된 고압수소를 액체용기에서 배출되는 포화증기와의 열교환으로 일단 냉각한 후 밸브에서 JT(Joule-Thomson) 팽창에 의해 대기압의 포화영역에 도달하게 하고, 포화상태의 수소 중 포화액체부분을 추출한 후, 포화증기 부분은 고압수소와 열교환하며 고온이 되게 한다. 단순 Linde-Hampson 액화의원리는 재생형 Joule-Thomson 냉동의 원리와 유사하므로 수소와 같이 최대역전온도(Maximum inversion temperature)가 상온보다 낮은 기체를 액화할 수 없으므로 액화를 위해서는 반드시 역전온도이하로 예냉(precooling)을 해야 한다. 헬륨기체를 냉매로 하는 재생형 냉동기를 이용한 예냉방법(소형에 적당함)이 있다. 또한 대량으로 수소를 액화하기 위해서는 반드시 팽창기(expander)를 이용한 Claude 시스템을 사용한다. 고압수소의 일부를 추출하여 단열팽창기로 대기압까지 팽창시키면 저온의 수소기체가 얻어지며 저압의 수소와 혼합되는 구성이므로, 이러한 시스템에서 고압의 수소는 외부로 일을 하며 팽창하여 예냉이 없이도 액체에 도달할 수 있으며 액화의 효율도 우수하다. 수소액화에 이용될 수 있는 극저온용 액화 사이클로는 액체질소 예냉식 Linde-Hampson 사이클, GM-JT 사이클, 액체질소 예냉식 Claude 사이클과 그밖에 액체질소와 저온의 기체헬륨을 동시에 사용하는 액체질소-기체헬륨 예냉식 수소액화 사이클 등이 있다.
4.6 저장합금을 이용한 수소저장기술
수소저장합금을 이용하는 방법은 다음과 같은 수소저장합금과 수소와의 가역반응을 이용하는 것이다. M + x/2 H2 ⇔ MHX + Q(M: 수소저장합금, MHX: 금속수소화합물 Q: 반응열) 계의 온도를 낮추거저장수소압력을 높이면 수소저장합금에 수소가 흡수되고, 반대의 경우에는 수소를 방출하게 된다. 수소는 위 식과 같은 화학반응에 의해 금속수소화합물을 형성하며, 수소저장합금내의 빈다. 저장침입형싸이트 내에 위치함으로써 M 금속수효율소저장저장이 가능하다. 수소저장합금은 수소와 친화력이 큰 금속(A라속수함)과 친화력이 작은 금속(B라속수함)의 합금으로 이루어져 있어서, 상온부근에서 수소의 흡수-방출이가능하다. 수소저장합금을 조성별로 분류하면 다음과 같다. AB5계 합금은 SmNi5, NaNi5 합금 등을 기본으로 하여 개발되었으며, 최근에는 고가의 희토류원소저장La를 가격이 싼 Mm(misch metal, 희토류원소의 혼합물)으로 치환한 MmNi5가 사용중이다. AB2계 합금은 TiMn2, ZrMn2,ZrFe2, ZrV2, TiCr2 등의 hcp구조의 MgZn2(C14)형 또는 fcc구조의MgCu2(C15)형
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  • 등록일2010.01.13
  • 저작시기2009.11
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