연료전지의 활용
청정에너지로 주목·기대되는 연료전지, 그 기초이론에서 미래의 수소사회를 안내
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| Publication Date | 2024/08/27 |
| Pages/Weight/Size | 148*210*20mm |
| ISBN | 9788970446738 |
| Categories | 대학교재 > 공학계열 |
Description
연료전지는 전기를 저장하는 장치가 아니라 수소와 산소를 사용하여 전력을 생산하는 일종의 첨단 발전기이다. 연료전지에 필요한 수소와 산소는 태양광이나 풍력 발전기 등에서 나온 전력으로 물을 분해하여 얻거나 화석연료나 바이오매스를 고온에서 촉매작용시켜 생산한다. 이 책은 연료전지를 공부하는 학생이나 연구자에게 연료전지의 의의, 구조와 동작원리, 성능, 종류오하 특징, 응용분야 및 최근의 개발 동향과 장래 전망을 안내한다.
Contents
머리말 | 4
1장 동작 원리와 종류
1. 연료전지란 무엇인가 | 13
2. 개발의 역사 | 16
3. 연료전지의 종류 | 26
4. 연료전지 셀의 동작 원리 | 29
2장 수소의 물성과 생산 · 생성 기술
1. 수소의 발견과 이용의 역사 | 37
(1) 수소의 발견 | 37
(2) 힌덴부르크호의 화재 사고 | 38
(3) 석유를 이용한 수소 생성 | 40
(4) 화학공업의 발전과 수소 | 41
(5) 수소와 근대 물리학의 탄생 | 42
2. 수소의 특성 | 43
(1) 원자 및 분자 구조의 모델화 | 43
(2) 수소의 물성 | 45
3. 수소 연료의 생성 | 49
(1) 수소 생성 구조와 에너지 사회의 구상 | 49
(2) 탈황 프로세스 | 51
(3) 수증기 개질 | 52
(4) 시프트 반응 | 53
4. 수소 생성 기술 | 54
(1) 선택 산화 반응에 의한 CO 제거 | 55
(2) 흡착법 | 56
(3) 막분리법 | 58
(4) 부분 산화 개질 | 62
(5) 오토더말 개질 | 63
3장 셀 동작의 열역학
1. 깁스의 자유에너지와 엔탈피 | 67
2. 이론 기전력과 네른스트 식 | 70
3. 이상(理想) 열효율 | 74
4장 연료전지의 특징
1. 셀과 스택 | 79
2. 연료전지의 특징 | 80
(1) 높은 이상(理想) 열효율 | 80
(2) 현실의 열효율 | 80
(3) 코제너레이션 | 81
(4) 환경 적응성 | 82
(5) 스케일 메리트 | 83
(6) 부분 부하에서의 발전 효율 | 84
(7) 이용 가능한 연료의 다양성 | 85
3. 기술적인 문제점 | 85
5장 고체 고분자형 연료전지
1. 총론 | 91
(1) 개발의 역사 | 91
(2) PEFC의 동작 원리와 특징 | 92
2. 단(單) 셀의 구성 | 93
3. MEA 및 세퍼레이터의 특성 | 95
(1) 전해질막의 구조와 특징 | 95
(2) 전해질막의 제조법 | 97
(3) 전극 촉매 | 99
(4) 가스 확산층 | 102
(5) 세퍼레이터 | 103
4. 전류와 전압의 관계 | 105
(1) 셀 내부에서 발생하는 손실 | 105
(2) 활성화 분극 | 106
(3) 확산 분극과 확산 전류 | 110
(4) 저항 분극 | 111
5. 물 관리 문제 | 111
6. 발전 시스템 효율의 계산식 | 114
6장 연료전지 자동차(FCV)와 가정용 PEFC 코제너레이션의 실증 연구
1. 고체 고분자형 연료전지(PEFC)의 개발과 도입 시나리오 | 119
2. FCV의 개발과 실증 운전 실험 | 119
(1) JHFC 프로젝트 | 119
(2) 수소 스테이션의 시방 | 125
3. 정치식 PEFC의 실증 실험 | 125
(1) 가정용 연료전지의 동작 조건 | 125
(2) PEFC에 의한 코제너레이션 실증 실험 | 127
7장 마이크로 연료전지 - 동작 원리와 기술적 과제
1. 모바일 기기용 마이크로 연료전지에 대한 기대 | 131
2. DMFC의 동작 원리 | 135
3. 시스템 구성에 따른 분류 | 138
4. 전해질막의 기술적 과제 | 142
5. 주변 기기의 개발 과제 | 145
6. 개발 동향과 보급을 위한 과제 | 147
(1) 개발 동향 | 147
(2) 보급을 위한 과제 | 149
8장 고온형 연료전지
1. 고온형 연료전지의 장점 | 155
2. 고온형 연료전지의 어려운 점 | 157
3. 고온형 연료전지의 이용 분야 | 159
4. MCFC의 동작 원리, 기술 과제 및 개발 동향 | 161
(1) MCFC의 동작 원리 | 161
(2) 외부 개질형과 내부 개질형 MCFC 시스템 | 163
(3) 융용 탄산염형 연료전지(MCFC)의 개발 동향 | 171
9장 SOFC의 기술 과제와 개발 동향
1. SOFC의 특징 | 177
2. SOFC 개발의 역사 | 183
(1) SWPC의 실적 | 183
(2) 미국 정부의 대처 | 185
(3) 일본의 대처 | 187
3. SOFC의 동작 원리 | 188
4. 셀의 구조와 재료 | 192
(1) 셀 구조 | 192
(2) 전해질 | 195
(3) 전극 반응 | 196
(4) 공기극 | 197
(5) 연료극 | 198
(6) 인터커넥터 | 199
(7) 가스 차폐재 | 200
5. SOFC 시스템의 개발 동향 | 201
(1) SWPC 이외의 해외 기업 등에 의한 개발 동향 | 201
(2) 미국 DOE의 개발 계획 | 203
(3) 저온 동작형 SOFC | 204
(4) 비용 절감 시도 | 208
(5) MOLB형 SOFC | 211
(6) 일본의 기타 연구 기관 | 214
10장 연료전지의 개발 동향과 전망
1. 실용화를 위한 기술적 장벽의 타개책 | 219
2. 가정용 연료전지의 발전 효율 | 221
3. 열화 메커니즘의 해명과 가속 시험법의 확립 | 224
4. 프로젝트 포메이션의 문제점 | 226
5. 연료전지 자동차(FCV)와 수소에너지 사회 | 227
11장 미 정부와 국제 기관에 의한 FC ·
수소 개발 프로젝트
1. 미국에서의 수소사회와 연료전지의 이미지 | 233
2. 가정용 PEFC와 환경 면에서의 효과 | 235
3. 가정용 PEFC의 경제적 평가 | 237
4. 가정용 연료전지 시장 | 241
5. 가정용 전원으로서의 FCV 이용 | 243
6. 수소연료전지 선도계획 | 246
7. 수소 생성 · 저장 기술의 목표와 과제 | 248
8. 자동차용 · 정치식 연료전지의 연구개발 | 250
9. International Partnership for the Hydrogen Economy(IPHE) | 251
10. IEA-HIA | 253
Column 〈아이슬란드, 새로운 에너지의 작은 선진국〉 | 254
[부록] 기초 이론 · 용어 해설
1. 열역학 이론 | 259
(1) 엔탈피와 깁스 에너지의 정의 | 259
(2) 열역학 제1법칙과 엔탈피 변화 | 260
(3) 열역학 제2법칙 | 262
(4) 깁스 에너지 변화와 연료전지의 발전 출력 | 263
2. 활성화 과전압 계산 | 266
(1) 전류와 전극반응 속도 | 266
(2) 활성화 에너지 | 269
(3) 전류의 전극전위 의존성 | 269
(4) 평형 전극전위와 교환전류 | 272
용어 해설 | 275
저자 소개 | 283
1장 동작 원리와 종류
1. 연료전지란 무엇인가 | 13
2. 개발의 역사 | 16
3. 연료전지의 종류 | 26
4. 연료전지 셀의 동작 원리 | 29
2장 수소의 물성과 생산 · 생성 기술
1. 수소의 발견과 이용의 역사 | 37
(1) 수소의 발견 | 37
(2) 힌덴부르크호의 화재 사고 | 38
(3) 석유를 이용한 수소 생성 | 40
(4) 화학공업의 발전과 수소 | 41
(5) 수소와 근대 물리학의 탄생 | 42
2. 수소의 특성 | 43
(1) 원자 및 분자 구조의 모델화 | 43
(2) 수소의 물성 | 45
3. 수소 연료의 생성 | 49
(1) 수소 생성 구조와 에너지 사회의 구상 | 49
(2) 탈황 프로세스 | 51
(3) 수증기 개질 | 52
(4) 시프트 반응 | 53
4. 수소 생성 기술 | 54
(1) 선택 산화 반응에 의한 CO 제거 | 55
(2) 흡착법 | 56
(3) 막분리법 | 58
(4) 부분 산화 개질 | 62
(5) 오토더말 개질 | 63
3장 셀 동작의 열역학
1. 깁스의 자유에너지와 엔탈피 | 67
2. 이론 기전력과 네른스트 식 | 70
3. 이상(理想) 열효율 | 74
4장 연료전지의 특징
1. 셀과 스택 | 79
2. 연료전지의 특징 | 80
(1) 높은 이상(理想) 열효율 | 80
(2) 현실의 열효율 | 80
(3) 코제너레이션 | 81
(4) 환경 적응성 | 82
(5) 스케일 메리트 | 83
(6) 부분 부하에서의 발전 효율 | 84
(7) 이용 가능한 연료의 다양성 | 85
3. 기술적인 문제점 | 85
5장 고체 고분자형 연료전지
1. 총론 | 91
(1) 개발의 역사 | 91
(2) PEFC의 동작 원리와 특징 | 92
2. 단(單) 셀의 구성 | 93
3. MEA 및 세퍼레이터의 특성 | 95
(1) 전해질막의 구조와 특징 | 95
(2) 전해질막의 제조법 | 97
(3) 전극 촉매 | 99
(4) 가스 확산층 | 102
(5) 세퍼레이터 | 103
4. 전류와 전압의 관계 | 105
(1) 셀 내부에서 발생하는 손실 | 105
(2) 활성화 분극 | 106
(3) 확산 분극과 확산 전류 | 110
(4) 저항 분극 | 111
5. 물 관리 문제 | 111
6. 발전 시스템 효율의 계산식 | 114
6장 연료전지 자동차(FCV)와 가정용 PEFC 코제너레이션의 실증 연구
1. 고체 고분자형 연료전지(PEFC)의 개발과 도입 시나리오 | 119
2. FCV의 개발과 실증 운전 실험 | 119
(1) JHFC 프로젝트 | 119
(2) 수소 스테이션의 시방 | 125
3. 정치식 PEFC의 실증 실험 | 125
(1) 가정용 연료전지의 동작 조건 | 125
(2) PEFC에 의한 코제너레이션 실증 실험 | 127
7장 마이크로 연료전지 - 동작 원리와 기술적 과제
1. 모바일 기기용 마이크로 연료전지에 대한 기대 | 131
2. DMFC의 동작 원리 | 135
3. 시스템 구성에 따른 분류 | 138
4. 전해질막의 기술적 과제 | 142
5. 주변 기기의 개발 과제 | 145
6. 개발 동향과 보급을 위한 과제 | 147
(1) 개발 동향 | 147
(2) 보급을 위한 과제 | 149
8장 고온형 연료전지
1. 고온형 연료전지의 장점 | 155
2. 고온형 연료전지의 어려운 점 | 157
3. 고온형 연료전지의 이용 분야 | 159
4. MCFC의 동작 원리, 기술 과제 및 개발 동향 | 161
(1) MCFC의 동작 원리 | 161
(2) 외부 개질형과 내부 개질형 MCFC 시스템 | 163
(3) 융용 탄산염형 연료전지(MCFC)의 개발 동향 | 171
9장 SOFC의 기술 과제와 개발 동향
1. SOFC의 특징 | 177
2. SOFC 개발의 역사 | 183
(1) SWPC의 실적 | 183
(2) 미국 정부의 대처 | 185
(3) 일본의 대처 | 187
3. SOFC의 동작 원리 | 188
4. 셀의 구조와 재료 | 192
(1) 셀 구조 | 192
(2) 전해질 | 195
(3) 전극 반응 | 196
(4) 공기극 | 197
(5) 연료극 | 198
(6) 인터커넥터 | 199
(7) 가스 차폐재 | 200
5. SOFC 시스템의 개발 동향 | 201
(1) SWPC 이외의 해외 기업 등에 의한 개발 동향 | 201
(2) 미국 DOE의 개발 계획 | 203
(3) 저온 동작형 SOFC | 204
(4) 비용 절감 시도 | 208
(5) MOLB형 SOFC | 211
(6) 일본의 기타 연구 기관 | 214
10장 연료전지의 개발 동향과 전망
1. 실용화를 위한 기술적 장벽의 타개책 | 219
2. 가정용 연료전지의 발전 효율 | 221
3. 열화 메커니즘의 해명과 가속 시험법의 확립 | 224
4. 프로젝트 포메이션의 문제점 | 226
5. 연료전지 자동차(FCV)와 수소에너지 사회 | 227
11장 미 정부와 국제 기관에 의한 FC ·
수소 개발 프로젝트
1. 미국에서의 수소사회와 연료전지의 이미지 | 233
2. 가정용 PEFC와 환경 면에서의 효과 | 235
3. 가정용 PEFC의 경제적 평가 | 237
4. 가정용 연료전지 시장 | 241
5. 가정용 전원으로서의 FCV 이용 | 243
6. 수소연료전지 선도계획 | 246
7. 수소 생성 · 저장 기술의 목표와 과제 | 248
8. 자동차용 · 정치식 연료전지의 연구개발 | 250
9. International Partnership for the Hydrogen Economy(IPHE) | 251
10. IEA-HIA | 253
Column 〈아이슬란드, 새로운 에너지의 작은 선진국〉 | 254
[부록] 기초 이론 · 용어 해설
1. 열역학 이론 | 259
(1) 엔탈피와 깁스 에너지의 정의 | 259
(2) 열역학 제1법칙과 엔탈피 변화 | 260
(3) 열역학 제2법칙 | 262
(4) 깁스 에너지 변화와 연료전지의 발전 출력 | 263
2. 활성화 과전압 계산 | 266
(1) 전류와 전극반응 속도 | 266
(2) 활성화 에너지 | 269
(3) 전류의 전극전위 의존성 | 269
(4) 평형 전극전위와 교환전류 | 272
용어 해설 | 275
저자 소개 | 283