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사업분야
연료전지
지엔원에너지의 연료전지 시스템을 소개합니다.
연료전지의 원리
- 물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생. 연료전지는 이와는 반대로
수소와 산소로부터 전기를 생산하는 전기화학적 발전장치 - 도시가스를 사용하여 전기와 열(온수)를 동시에 생산하는 고효율의 친환경 발전시스템
→ 도시가스 0.26Nm3 = 1KWh 전기 + 60℃ 30L/h 온수 (1kW 장비기준)
- 연료극 반응 : H2 → H+ + 2e-
- 공기극 반응 : 1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O + Heat
- 총 반응 : H2 + 1/2O2 → H2O
도시가스를 사용하여 전기와 열(온수)를 동시에 생산하는 고효율의 친환경 발전시스템
연료전지란?
- 5kW : 도시가스 1.35N㎥ = 5kWh 전기 + 60℃ 150L 온수 (시간당)
- 10kW : 도시가스 2.6N㎥ = 10kWh 전기 + 60℃ 150L 온수 (시간당)
- 도시가스 중의 수소와 공기중의 산소의 화학반응으로 전기와 열을 생산 (발전효율 30~40%, 열효율 50%, 총 80~90%)
- 1년 365일 가동 (ON/ OFF 가능)
연료전지의 특징
- 전기발전효율은 30~40%, 열효율은 50%이상으로 총 80~90%의 높은 효율
- 화력 또는 디젤발전에서의 연소과정이 없어 저공해 에너지 시스템
- 모듈형태로 제작이 가능하기 때문에 발전규모 조절이 용이
- 설치면적의 제약이 적음
- 소음, 유해가스의 배출이 적음
자료 : 포스코에너지, 메리츠종금증권 리서치센터
연료전지의 구성
- 연료전지 시스템은 연료처리모듈, 스택모듈, 전력변환모듈, 열처리모듈로 구성
- 개질기를 통해 생성된 수소와 공기블로워를 통해 공급된 공기가 스택에서 반응하여 전기와 열생산
| 구분 | 장치 | 내용 |
|---|---|---|
| 발전부 | 연료처리 장치 | 도시가스에 포함된 수소를 분리해 내는 장치 |
| 연료전지 스택 | 수소와 산소의 화학반응으로 전기와 열을 생산하는 핵심불품 | |
| 전력변환기 | 연료전지의 직류 전기를 교류 전기로 바꾸어 주는 장치 | |
| 열 회수부 | 폐열회수부치 | 도시가스에 포함된 수소를 분리해 내는 장치 |
| 연료전지 스택 | 수소와 산소의 화학반응으로 전기와 열을 생산하는 핵심불품 |
연료전지의 구성
- 스택은 연료전지에서 가솔린 발전의 엔진과 같은 핵심 파트
- 다수의 단위전지(Cell )를 직렬로 적층하여 구성되며, 발생된 전류는 셀의 면적에 비례하고, 전압은 셀의 적층수에 비례
- Cell은 전극접합체(MEA : Membrane-Electrode Aseembly), 기체확산층(GDL), 분리판으로 구성
연료전지의 종류
- 연료전지는 전해질의 종류와 작동온도에 따라 분류.
- FEMFC는 완성도가 가장 높으며, 현재 상용화되어 가정용, 건물용에 공급.
- MCFC, PAFC는 MW급 대형 발전용에 사용.
- SOFC는 가장 높은 효율과 다양한 연료를 사용할 수 있는 장점이 있으며, 가정용부터 대형 발전까지 폭넓게 사용이 가능하여 가장 활발한 연구가 진행중.
| 구분 | 알칼리 (AFC) |
인산형 (PAFC) |
융융탄산염형 (MCFC) |
고체산화물형 (SOFC) |
고분자전해질형 (PEMFC) |
직접매탄올 (DMFC) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 전해질 | 알카리 | 인산염 | 탄산염 | 세라믹 | 이온교환막 | 이온교환막 |
| 동작온도 (℃) | 120 이하 | 250 이하 | 700 이하 | 1,200 이하 | 100 이하 | 100 이하 |
| 효율 (％) | 85 | 70 | 80 | 85 | 75 | 40 |
| 용도 | 우주발사체 전원 | 중형건물 (200kW) | 중·대형건물 (100kW~MW) |
소·중·대용량발전 (1kW~MW) |
가정·상업용 (1~10kW) |
소형 이동 (1kW 이하) |
| 특징 | - | CO 내구성큼 열병합대응 가능 |
발전효율 높음 내부개질 가능 열병합대응 가능 |
발전효율 높음 내부개질 가능 복합발전 가능 |
저온작동 고출력밀도 |
저온작동 고출력밀도 |
자료: 에너지관리공단, 메리츠종금증권 리서치센터
연료전지시스템 소개
주택용
건물용
| 사용연료 | 도시가스 | 도시가스 | 도시가스 | 도시가스 |
|---|---|---|---|---|
| 크기(mm) | 500 x 400 x 900 (W x D x H) | 500 x 700 x 1,550 (W x D x H) | 1,400 x 650 x 1,520 (W x D x H) | 1,500 x 1,600 x 1,520 (W x D x H) |
| 가스소비량(Nm3) | 0.16(Normal 0℃) 0.18(Standard 25℃) |
0.26(Normal 0℃) 0.28(Standard 25℃) |
0.3 (Normal 0℃) 1.5(Standard 25℃) |
2.6(Normal 0℃) 2.8(Standard 25℃) |
| 발전/열효율(%_LHV) | 35/50 | 35.2/ 51.67 | 36.6 / 49.1 | 37.8 / 52.2 |
| AC 220v, 단상 2선식 | AC 220v, 단상 2선식 | AC 220v, 단상 2선식 | AC 220v, 단상 2선식 | AC 380v, 3상 4선식 |
| 축열조 용량(L) | - | 125 | 220 | 450 |
연료전지 설치사진
전기
연료전지에서 생산되는 전기는 한국전력과계통연계가 되며,
건물의 기저부하로 사용, 한전 전기와 병행하여 사용하여 전기요금이 절약되고,
부족한 경우는 한전 grid전기를 더 가져와 사용함.
열
연료전지에는 생산되는 열은 건물의 급탕을 가열하여 보일러로 유입,
배출되어 급탕 사용처(화장실, 식당 등)로 공급하여 열요금을 절약함.
