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알카리메탈 순환을 이용한 열-전기변환기술 AMTEC


AMTEC(Alkali Metal Thermal to Electric Converter) 기술은 연료전지, 태양광셀, 열전모듈 및 금속유체를 이용하여 고온폐열, 태양열과 같은 열에너지를 직접 전기로 변환시키는 기술이다. 




우주용 전력생산의 응용뿐 만 아니라 지상용으로 개발이 신속히 이동하고 있으며, 지상용으로는 자가발전로, 열병합 발전 유니트, 고속 도로 위험표시 등, 휴대용과 장거리 전력 시스템에 광범위하게 사용 가능


1962년 미국 포드(ford)社에서 전기자동차의 전원공급장치로 활용하기 위해 Joseph T. Kummer가 처음 제안했고, 

1966년 Neil Weber와 함께 개발한 소듐열엔진(SHE, sodium heat engine)이 시초이다. 


1. 기술 개요

금속 지지체를 통한 고효율 AMTEC 발전 

고체 전해질이 금속 지지체에 막의 형태로 형성되어 있기 때문에 내부 압력을 높일 수 있어 운전압에 안정 성을 가지며 또한 열전환 발전의 운전 과정에서 발생하는 열충격에 내구성을 가지게 됨. 따라서 열 및 기계 적 충격에 강하여 열변환 발전 셀의 파손 위험이 작아지게 되고 내구성 및 안정성이 커지게 되고, 박막으로 형성하여 저항이 줄어들어 효율을 높일 수 있으며, 열변환 발전 셀을 사용하여 모터, 엔진, 구동부가 없는 발 전기 제작이 가능하고, 소음 발생이 적고 가벼우면서 경제성 있고 높은 효율을 갖는 발전기 제작이 가능함 


금속 지지체를 통한 고효율 AMTEC 발전 

•기술의 내용 : Alkali-metal thermal-to-electric converter(AMTEC) 열-전기 변환기술 개발을 위한 

 - 세라믹 소재 기반 AMTEC 유닛셀 제조기술 

 - 스택 및 모듈화 기술 

 - 시스템 설계 및 운전기술


• Na 증기는 저압영역의 응축기 내표면에서 냉각에 의해 응축되어 모세관윅에 의해 증발기로 이동하여 증 발기에서 다시 증기상태로 변하는 과정을 반복하게 되며 증발기의 온도는 900~1,100K 범위에 있고 응축 기의 온도는 500~600K가 되는 것이 일반적이며, AMTEC의 열변환 전기발생 효율은 40%까지 가능함


• AMTEC에서 전기를 생산하는 과정을 구체적으로 살펴보면, Na 증기가 열원에 의해 고온·고압인 증발기 에서 증기상태로 변하여 Na+이 베타 알루미나 고체전해질(Beta-Alumina Solid Electrolyte : BASE)로 통과하고, 자유전자들은 음극(anode)으로부터 전기부하로 통과하여 양극(cathode)으로 돌아와서 저온·저 압 영역의 베타 알루미나 고체전해질(Beta-Alumina Solid Electrolyte : BASE)의 표면에서 나오는 이온과 재결합하여 중성화되는 과정에서 전기를 발생함 


•기술의 용도 : 600~800℃의 열원을 직접 전기에너지로 변환해주는 발전기술


2. 기술특징 및 경쟁기술과의 차별성 

•Na 이온 전도성 beta-alumina를 전해질로 사용 

•고온부 증발된 Na이 다공성 윅의 모세관력에 의해 순환하여 재공급되는 원리를 이용함 

•모터, 터빈 및 피스톤과 같은 구동부 없이 열을 직접 전기로 변환 

•Na이 순환하여 열원만 있으면 별도의 충진 작업 없이 발전이 가능함


3. 단점 및 한계

열변환효율이 20%대로 낮고, (최고효율은 40%까지 가능하다고 보고 있음)

폐열회수용으로 경제성이 낮음. 


4. 작동원리

[각주:1]





참고문헌

[1] 한국에너지기술연구원 기술사업화실 기술소개 자료


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2017. 01. 18 작성



  1. http://www.mpoweruk.com/amtec.htm [본문으로]

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수소 경제를 만들기 위해서는

수소 생산, 저장, 유통 및 이용 기술이 밑받침이 되어야 한다. 


1. 수소 생산

수소를 생산하기 위해서는 수소가 포함된 연료(탄화수소 CxHy나 물 H20)가 필요

현재 수소는 주로 화석연료(천연가스, 석유, 석탄)에서 생산


1. 수소 생산 방법


가. 물 전기분해

수소 생산능력 : 수 cm3/min ~ 수 천 m3/min

효율 : 70% 이상

단점 : 전기(고품질의 에너지) 사용


나. 광전지와 활용 (PV, Photovoltaics)


 

IEA-HIA 

국제에너지기구(IEA) 수소프로그램(HIA : Hydrogen Implementing Agreement)


Task 21 Bio-inspired hydrogen and biological hydrogen

생물학적 수소생산에 대한 기초 및 응용 기술을 개발하고 경제 및 사회적 관점에서 기술을 평가


Task 22 Fundamental and Applied Hydrogen Storage Material Development

고체물질에 수소 저장


Task 23 Small-scale reformers for on-site hydrogen supply

on-site 수소공급을 위한 소규모 개질기 개발


Subtask 1 Harmonized industrialization

개질기 성능 개발을 통해 개질 시설물의 도입, 비용 절감에 관한 연구


Subtask 2 Sustainability and renewable sourece

지속가능한 재생에너지원을 활용한 수소 생산 시설에 관한 연구


Subtask 3 Market studies 

시장 조사


Task 24 Wind energy and hydrogen integration

풍력으로부터 얻은 전기에너지로 물을 전기분해하여 수소 생산. 


Task 25 High Temperature Process for Hydrogen Production

500도 이상의 고온을 이용하여 수소생산공정(HTPs)을 개발


Task 26 Hydrogen from Waterphotolysis

태양에너지를 이용한 효율적 물분해를 달성하기 위한 혁신적인 반도체 물질 및 장치 개발

GaInP/GaAs로 변환효율 12.4~16.0% 달성, 내구성 확보 못함. PEC system을 통한 수소생산을 위한 신규물질 검토 중


Task 28 Large-Scale Hydrogen Infrastructure and Mass Storage

수소의 실제 사용을 구현하기 위한 거대규모의 수소 생산, 수송 및 저장을 위한 사회 간접 시설에 대한 모델링, 특성분석에 대한 이해와 국제 협력 목표


Task 29 Distributed and Community Hydrogen

기술적, 환경정, 경제적, 사회적 이유로 수소 사용이 분명한 곳을 파악하여 평가함으로서 공동체내에서 수소 사용 확대, 

공동체 규모 (1000명 내외, 500 kW 이하)



Fuel cell 2000 

http://www.fuelcells.org/db/

The online fuel cell information resource



수소의 용도

정유공장 -  원유의 수소첨가 반응 및 수소첨가분해에 의한 품질 향상

화학산업 - 암모니아와 메탄올과 같은 다양한 화합물의 합성

야금 분야 - 환원 또는 보호 기체로서의 사용

우주 계획 부문



향후 수소 에너지가 기존의 화석에너지와 경쟁력을 갖기 위해서는

$0.99/kg H2 이하의 비용수준을 확보해야 할 것으로 분석되었다.[각주:1]


수소에너지 수요 전망



2030년 이후에 급격히 증가하여 2050년에 12,191천 톤에 이를 것으로 전망하였다.


수소 생산 및 공급 전망




대다수의 수소는 LNG를 통하여 생산이 되며 

2040년 이후 신재생에너지원(풍력, 바이오)를 활용하여 수소 생산을 할 것이라는 예상이다.



수소 생산 기술 분류


수소 생산 기술은 크게 화석연료 이용 기술과 비 활용 기술로 나눠진다. 


수증기 촉매 개질 공정(SMR, Steam Methane Reforming)

수증기를 가하여 분해반응을 일으켜 물과 탄화수소분자에 포함된 수소를 추출해내는 방법


이산화탄소 개질공정(CRD, Carbon Dioxide Reforming)

높은 CO 함량비의 합성가스를 얻을 수 있으며 옥소 합성 공정이나 화학에너지 전송시스템등에 응용이 가능하다. 

격렬한 흡열반응 


부분산화 공정(POX, Partial Oxidation) 

메탄올 일부 산화시켜 합성가스를 제조하는 방법. 

에너지 비용이 현격히 줄일 수 있다.

무촉매 부분산화 공정과 촉매 부분산화 공정으로 나뉜다.


자연개질 반응(ART, Autothermal Reforming)

무촉매 부분 산화 공정과 수증기 개질(SMR) 반응을 결합한 형태

수증기 개질반응에 필요한 열을 부분산화반응에 의하여 자체 공급하는 방식

천연가스를 직접분해를 위해 고온(1,400 도)의 반응조건이 필요하기 때문에 수증기 개질법에 비하면 효율이 낮은 편


석탄가스화

석탄을 불완전연소 및 가스화시켜 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스를 만들어 내는 과정

고온 고압의 가스화기에서 수증기와 함께 한정된 산소로 불완전연소 및 가스화시킴

연료전지와 연계시키면 가스화 복합발전 연료전지(IGFC)가 됨


생물학적 수소 제조 기술

미생물이 태양에너지를 받아 미생물 고유의 광합성 작용에 의해 수소 생산


광화학적 수소 제조 기술

고아촉매와 빛을 이용하여 물에서 수소를 제조하는 공정

아직 효율이 낮음


전기분해 수소 제조 기술

전기를 이용하여 수소를 생산하는 수전해기술

수전해기술은 크게 알칼리 수전해, 고체고분자전해질 수전해, 고온수증기분해(HTE) 기술 등으로 분류된다.

 

열화학적 수소 제조 기술

물은 3,300K 이상 가열되면 직접 수소와 산소로 해리되는 과정을 이용

 폐사이클(Closed cycle)을 만들어 비교적 낮은 온도(1,300 K 이하)에서 물을 분해


원자력 이용 수소 제조 기술

원자로에서 발생하는 고온의 열을 이용하여 물 또는 탄화수소(천연가스)를 분해하여 수소를 생산







집중형 수소제조비용





수소를 만들려는 목적보다 공정에서 발생하는 수소

부생 수소


2013. 12. 12 작성

  1. http://library.keei.re.kr/dliweb25/comp/search/viewer.aspx?type=F&CID=93057&id=9496 [본문으로]

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고분자전해질 연료전지(PEMFC)의 설계에서 확산 모델


연료전지 내 확산모델은 크게 두가지로 나눠볼 수 있는데

2개의 물질이 확산 과정에 참여하는 이종 확산 모델(binary diffusivity)

3개의 물질 혹은 그 이상의 물질이 확산 과정에 참여하는 다성분 확산 모델이다. 


이종 확산 모델은 Fick의 법칙으로 표현되며

다성분 기체의 확산은 Maxwell-Stefan 식에 의해 근사화될 수 있다. 


PEMFC의 환원극에는 전형적으로 세가지 기체(질소, 산소, 수증기)가 존재한다. 

이러한 경우 다성분 확산모델로 Maxwell-Stefan 식을 적용해야 한다.

그러나 연료전지 내에서 질소의 확산은 일어나지 않기 때문에 질소 플럭스는 무시할 수 있다.

따라서 보통 이종 확산 모델로 설계한다.


1. 이종확산모델 - Fick의 법칙 


Fick의 법칙 설명보기 )


이종 확산 모델에 사용, 오직 두 종(i,j)만 확산에 참여

Dij는 i종이 j종으로 확산하는 확산계수


반대로 j종이 i종으로 확산될때

확산의 정의로부터 



2. 다성분확산모델 - Maxwell-Stefan 식


3개 혹은 그 이상의 물질이 확산 과정에 참여할 때는 다성분 확산을 고려해야 한다. 

낮은 밀도에서 다성분 기체의 확산은 Maxwell-Stefan 식에 의해 근사화될 수 있다.


이 식은 혼합물을 구성하는 j종과

상호작용에 의한 효과를 모두 더하여

i종의 z방향 분를 계산하였다.

xi와 xj는 i와j 종의 몰분율을 나타내고 J는 몰 플럭스 R은 기체상수 T는 온도 p는 전체압력, D는 유효이종확산계수이다. 








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