Types of Fuel Cell
Types of Fuel Cell 인산염연료전지 (PAFC) -제1세대연료전지 -전해질로액체인산염사용하고탄화규소 (SiC) 매트릭스에함침시켜사용 -저온 (170~220 o C) 에서작동 -전해질내에수소이온이이동 -음극, 양극반응은앞의기본연료전지구조와동일 인산염연료전지 알칼리연료전지 (AFC) -전해질로알칼리 (KOH) 용액 -저온 (100 o C 이하 ) 에서작동 -전극반응을촉진을위해비싼전극물질이요구, 순수한수소와산소를사용하여고비용 -전해질내에수산화이온 (OH - ) 이이동 알칼리연료전지
Types of Fuel Cell 고분자연료전지 (PEMFC) -주로자동차용연료전지 -수소이온이 1백 ~2백 m 두께의고분자전해질막 (membrane) 통과해전기발생 -저온 (100 o C 이하 ) 에서작동 -수소이온이전해질을통과하고, 인산염연료전지와같은화학반응 고분자연료전지 메탄올연료전지 (DMFC) -일종의고분자연료전지로 150 o C 이하에서작동 -촉매를사용하여액체메탄올로부터수소를추출 -다량의백금촉매사용 -수소이온이전해질을통과 CH 3 OH H 2 O CO 2 e - H + e - O 2 H 2 O anode cathode polymer membrane 메탄올연료전지
Types of Fuel Cell 용융탄산염연료전지 -제2세대연료전지 -탄산리튬, 탄산나트륨, 탄산칼륨을고온에서용융 ( 액체상태 ) 시켜다공질세라믹에함침시켜전해질로사용 -탄산염이온 (CO 2-3 ) 이전해질을통과해서연료전극의수소와반응 -650 o C의고온에서작동 전극반응을위한백금촉매가불필요 순수한수소외에도일산화탄소, 천연가스, 프로판가스등의저렴한가스를연료로사용
Types of Fuel Cell 고체산화물연료전지 -제3세대연료전지 -1000 o C의고온작동하며산소이온 (O 2- ) 이전해질을통과하여연료전극의수소와반응 -고온에잘견디는세라믹재료 ( 주로, 안정화지르코니아 : yittria stabilized zirconia) 가전해질과전극으로사용 -고온작동이므로촉매가불필요 + 여러종류의연료를사용가능
Efficiency of Fuel Cells 80 60 SOFC Efficiency (%) 40 20 PEMFC PAFC MCFC Solar Cell 0 0 1 10 100 1,000 10,000 100,000 Power (kw)
Applications 휴대용수백 W 이하 가정용 3 kw 수송용 75 kw 발전용 250 kw 이상 응용분야 대상연료전지 DMFC PEMFC SOFC MCFC SOFC 수소에너지 수소저장기술 ( 고압수소, 액체수소, CNT, 화학수소화물 ) 수소생산기술 ( 화석연료 / 신재생에너지 ) 수소인프라구축 ( 수소스테이션 )
수송용 PEMFC 7 kw PEMFC/Battery Hybrid Car (KIST, 2000) 75 kw PEMFC Vehicle (HMC, 2002)
DB 정치형 PEMFC 가정용 PEMFC (Ballard, H-Power, Plug Power) 250kW 발전용연료전지 (Poscopower), 5 kw 가정용 PEMFC (CETI- KIER)
휴대용 PEMFC Ballard, Casio, Fraunhofer Samsung, Toshiba
Other applications of Fuel Cells 가정용연료전지 하이브리드 ( 연료전지 + 배터리 ) 무인헬기 (KIST, 2009) 수소연료전지핸드폰
Solar Cell
Energy Crisis
New Paradigm for Energy
New Paradigm for Energy
태양광발전의특징 Solar Cell 태양광발전의장점 - 환경적합성 - 연료, 냉각수불필요 - 모듈화 - 단기건설기간 - 부하패턴적합성 - 무보수성, 고신뢰성 : 배가스, 폐열등환경오염과소음이없음 ( 석탄화력발전대비약 240 g-carbon/kwh 절감 ) : 에너지-자원보존, 입지상의제약이적음 : 발전용량의신축성, 발전시설의유동성 : 수요증가에신속대응가능 : 첨두부하경감, 공급예비력감소에효과적대응 : 무인자동화운전가능, 운전비용절감 태양광발전의단점 - 대면적필요 - 이용률낮음 - 불안정성 - 고출력불가능 : 일사량에의존, 대규모발전에대면적이필요 : 야간, 우천시에발전불가능 : 일사량변동에따라출력이불안정 : 공급가능출력에한계, 급격한전력수요대응불가
Applications 전등 TV, 에어컨전원 가정용 태양전지 산업전자 광센서 Image sensor 주택 / 건물전원 IR imager 발전용 통신용 Peak 전력보완 광센서 태양광발전소 통신위성 배전선강화용 TV/ 라디오 / 중계기 반도체인프라활용 TFT CMOS TFT-LCD Optoelectronic device SRAM DRAM Flash memory
Largest PV Farm in Korea (LG Solar Energy)
Photo Voltaic Cell Market
PV World Market Installed PV power in 2007: 2,4 GWp 65
Metal Isolator Semiconductor Metal either the conduction band is partly filled or no seperate conduction and valence band exist electrons can move freely T resistivity electrons give their energy to the phonons very fast ~ 10-12 s Band structure Isolator at T = 0 the conduction band is empty very high resistivity band gap E G > 3eV no conductivity despite doping possible
Metal Isolator Semiconductor Semiconductor isolator for deep temperatures (T = 0) conduction band at low temperatures as good as empty, valence band almost full band gap 0,1eV < E G < 3eV (intrinsic semiconductor) T resistivity Electrons can stay in the conduction band for about 10-3 s
Doping: Change in carrier concentration change in electrical properties Donor - doping add an extra electron number of e - > number valence e - n type dopant E D right under conduction band E C Acceptor - doping add an extra hole number of e - < number valence e - p type dopant E A right above valence band E V n-type doping p-type doping
pn-junction under radiation Absorption of light If Eph < Eg no electron-hole-creation If Eph > Eg electron-hole-creation drift and diffusion current and voltage Band structure Solar cell under radiation
Solar Cell Types (Structure based)
PV Efficiencies
Future of Photovoltaic Cell
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