연료전지 발전시스템

  

매립지가스 (LFG, Land Fill Gas)

쓰레기 매립지에 매립된 폐기물 중 유기물질이 혐기성 분해 과정에 의해 분해되어 발생되는 가스를 말하며 그 성분은 주로 메탄(CH4;40∼60%)과 이산화탄소(CO2;30∼

50%)로 구성된다.

 

메탄발효 (Methane fermentation)

일반적으로 대부분의 유기물은 혐기성균의 공동작용에 의하여 분해되며, 메탄과 이산화탄소를 생성하는 발효를 말한다. 제1단계는 복잡한 화합물이 간단한 화합물 특히 저급지방산으로의 분해이고 제2단계는 메탄과 이산화탄소의 분해이다. 메탄발효는 제2단계 분해를 말하며 이것에 관여하는 세균을 메탄세균이라고 총칭한다. 발효온도는 중온과 고온이 있고, 고온의 경우 유기물의 분해속도가 빠르다.

 

혐기성 소화공정

(嫌氣性消化工程, Anaerobic digestion process)

산소가 없는 상태 하에서 미생물을 이용해서 유기물을 분해하여 주로 메탄가스를 생성시키는 공정을 말한다.

 

팜오일 폐수 (POME : Palm Oil Mill Effluent)

팜 오일은 팜 야자를 고온으로 삶고 찐 후, 파쇄좵압착 과정을 통해 생산되며, 이때 부산물로써 갈색의 점성이 있는 액체인 팜 오일 폐수(POME)이 발생되며, 유기물 함량이 매우 높아 바이오가스 생산 원료로 이용된다.

 

폐기물에너지 (Waste energy)

사업장, 가정에서 발생되는 가연성 폐기물 중 에너지 함량이 높은 폐기물을 열분해, 고형화, 연소 등의 가공처리를 통해 고체연료, 액체연료, 가스연료, 폐열 등으로 생산하여 생산 활동에 재이용 할 수 있는 재생에너지이다.

 

부생가스 (副生 Gas)

석탄에 열을 가했을 때 부산물로 생성되는 가스로 주로 제철공장, 석유화학공장 등의 공정등에서 많이 생성된다.

 

고형연료 (Solid fuel)

 RDF(Refused Derived Fuel)

생활폐기물 고형연료 제품으로 종이, 나무, 플라스틱 등의 가연성 폐기물을 파쇄, 분리, 건조, 성형 등의 공정을 거쳐 제조된 고체연료이다.

 RPF(Refused Plastic Fuel)

폐플라스틱 고형연료 제품을 말하며, 중량기준으로 폐플라스틱의 함량이 60%이상 함유된 것을 말한다.

 

연료전지 (Fuel cell)

연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 반응은 전해질내에서 이루어 지며 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 수소 연료전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하며, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화염소 등을 산화제로 이용할 수 있다. 연료전지의 발전 효율은 40∼60% 정도로 대단히 높으며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 80%까지 에너지로 바꿀 수 있다.

 

알카라인 연료전지(AFC : Alkaline Fuel Cell)

농축수산화칼륨(Concentrated KOH)을 전해질로 사용하는 연료전지, 수산화칼륨의 농도는 전지의 작동온도(최대 250℃)에 따라 35∼85wt% 범위에서 선택된다. 공기극(Cathode)에서 생산된 수산화이온(OH-)은 전해질을 통해서 연료극(Anode)으로 이동하고, 연료극에서 수소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다.

 

직접 메탄올 연료전지

(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)

고분자 전해질 연료전지의 작동원리와 유사하며, 메탄올을 직접 연료로 사용한다는 것이 가장 큰 차이점이다.

고분자 전해질 연료전지이다. 시스템의 경우 연료로 직접 수소를 사용하지 않을 경우 개질기가 필요하지만, 직접 메탄올 연료전지는 개질기가 필요없기 때문에 시스템을 보다 간소화시킬 수 있고, 부하 응답 특성을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다. 하지만 낮은 반응속도에 의한 저출력 밀도 및 다량의 백금촉매의 사용, 메탄올의 투과현상 등이 해결되어야 할 큰 과제로 남아있다. 운전 온도는 주로 상온에서 100℃ 사이이다.

 

용융탄산염 연료전지

(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)

전해질로 용융 탄산염을 쓰는 연료전지이다. 600℃ 이상의 고온에서 작동하고, 양질의 폐열을 얻을 수 있어 열병합 발전으로 시스템의 효율을 증대시킬 수 있으며, 연료로는 수소 이외에 일산화탄소도 사용이 가능하므로 석탄가스화 장치와 조합하여 대규모 발전시스템을 구성할 수 있다. 또한 고온 운전시 발생되는 열로 천연가스를 전지 내부에서 직접 수소와 CO로 개질하여 연료로 이용하는 내부 개질이 가능하기 때문에 연료의 전처리 공정을 단순화시킬 수 있는 장점도 있다.

 

인산형 연료전지

(PAFC : Phosphoric Acid Fuel Cell)

전해질로 인산(H3PO4)을 사용하는 연료전지이며, 작동 온도는 160∼250℃ 정도이다. 인산형 연료전지는 95% 이상의 진한 인산을 탄화규소(SiC) 매트릭스에 함침시킨 것을 전해질로 사용하며, 천연가스, 나프타, 액화석탄가스와 같은 화석연료나 메탄올 등의 연료를 개질기를 통하여 수소를 발생시켜 사용할 수 있으며 이에 함유되어 있는 이산화탄소나 미반응 탄화수소도 연료전지의 반응에는 영향을 미치지 않는 장점이 있다. 인산은 가격이 저렴하고 풍부하므로, 1960년대부터 주로 미국에서 개발이 진행되어 실용화된 시스템이며, 가장 먼저 상용화된 연료전지이다.

 

고분자 전해질 연료전지

(PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cell)

고분자를 전해질로 사용하는 연료전지이며, 100℃ 이하에서 운전되며, 주로 사용되는 운전온도는 상온에서 80℃ 정도이다. 연료전지 자동차에 적용될 경우 영하의 온도에 서도 시동이 가능하도록 제작되고 있다. 연료극(Anode)에서 생산된 수소이온(H+)은 전해질을 통해서 공기극(Cathode)으로 이동하고, 공기극에서 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다, 고분자 전해질 연료 전지(PEFC)와 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)가 있으며, 이 두 형태의 연료전지가 모두 프로톤(Proton) 교환막을 사용하기 때문에 이 둘을 합하여 프로톤 교환막 연료전지(PEMFC : Proton Exchange

Membrane Fuel Cell)라고도 한다. 일반적으로는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)는 수소를 연료로 사용하는 경우에 가장 많이 일컬어진다.

 

고체 산화물 연료전지

(SOFC : Solid Oxide Fuel Cell)

전해질로 고체 산화물(주로 이트륨옥사이드(Y2O3)로 도핑된 지르코늄 옥사이드(ZrO2)를 많이 사용)을 사용하는 연료전지이며, 공기극에서 연료극으로 산소 음이온이 이동한다. 연료전지 중에서 가장 높은 온도(700∼1000℃)에 서 연료전지 반응이 이루어진다.

 

연료전지 발전시스템

(Fusel cell generation system)

연료전지 발전시스템은 개질기, 스택, 전력변환기로 구성된다.

1) 개질기(Reformer)

화석연료(천연가스, 메탄올, 석유 등)로 부터 수소를 발생 시키는 장치이다.

2) 스택(Stack)

원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체를 말한다.

3) 전력변환기(Inverter)

연료전지에서 나오는 직류전기(DC)를 우리가 사용하는 교류(AC)로 변환시키는 장치이다.