연료전지 개론(한티 에너지 과학 시리즈)
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근세기에 들어 과학기술의 발달에 따라, 과거와는 비교도 할 수 없을 정도의 속도로 문명이 발달하고 있으며, 불과 수십 년 전과 비교하여 상상하기도 힘들 정도의 변화가 일어나고 있다. 이러한 급격한 문명의 발전은 막대한 에너지와 자원의 소모를 동반하며, 그 결과 근래에 들어 전 세계적으로 에너지와 자원의 고갈에 대한 우려가 증대되고 있다.
현재 가장 비중이 큰 에너지원은 화석연료인 석유와 석탄이며, 이의 매장량은 한계가 있다. 석유의 생산량은 이미 정점을 넘어서고 있으며, 석탄의 가채량 또한 몇 백 년밖에 남지 않았다. 현재의 추세대로 진행된다면 백년 이내에 석유의 고갈에 따라 인류 문명은 어려움을 겪게 될 것이다. 이에 대한 해결책으로서 지속가능한 신재생에너지원에 대한관심이 고조되고 있으며, 그중 신에너지인 연료전지는 높은 에너지 효율을 가지므로 발전용 및 자동차와 같은 수송용 에너지원으로서의 중요성이 부각되고 있다.
본 교재에서는 전기 및 연료전지의 역사, 연료전지와 관련된 물리화학 및 전기화학의 이론, 그리고 최근 많은 관심을 받고 있는 고분자 전해질 연료전지, 고체산화물 연료전지, 탄산용융염 연료전지에 대한 개괄적인 소개를 하고자 한다.
현재 가장 비중이 큰 에너지원은 화석연료인 석유와 석탄이며, 이의 매장량은 한계가 있다. 석유의 생산량은 이미 정점을 넘어서고 있으며, 석탄의 가채량 또한 몇 백 년밖에 남지 않았다. 현재의 추세대로 진행된다면 백년 이내에 석유의 고갈에 따라 인류 문명은 어려움을 겪게 될 것이다. 이에 대한 해결책으로서 지속가능한 신재생에너지원에 대한관심이 고조되고 있으며, 그중 신에너지인 연료전지는 높은 에너지 효율을 가지므로 발전용 및 자동차와 같은 수송용 에너지원으로서의 중요성이 부각되고 있다.
본 교재에서는 전기 및 연료전지의 역사, 연료전지와 관련된 물리화학 및 전기화학의 이론, 그리고 최근 많은 관심을 받고 있는 고분자 전해질 연료전지, 고체산화물 연료전지, 탄산용융염 연료전지에 대한 개괄적인 소개를 하고자 한다.
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출판사 리뷰
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목차
목차
PART 1 연료전지 개론
1. 전기의 역사 10
2. 연료전지의 역사 13
3. 연료전지의 원리 19
4. 연료전지의 종류 21
4.1 고분자 전해질 연료전지 21
4.2 직접메탄올 연료전지 22
4.3 인산형 연료전지 24
4.4 용융탄산염 연료전지 25
4.5 고체산화물 연료전지 27
4.6 알칼리 연료전지 28
5. 연료전지의 용도 31
5.1 휴대용/이동형 연료전지 31
5.2 가정용 연료전지 32
5.3 자동차용 연료전지 38
5.4 발전용 연료전지 41
PART 2 연료전지 이론
1. 에너지와 일률 46
2. 열역학 48
2.1 시스템과 외부 48
2.2 열역학 제일 법칙 49
2.3 열역학 제이 법칙과 제삼 법칙 51
2.4 깁스 자유에너지 53
2.5 깁스 자유에너지와 기전력 58
3. 전기 화학 61
3.1 산화와 환원 61
3.2 전지의 전압 62
3.3 표준 전극 전위 64
3.4 전지 전압에 미치는 온도의 영향 67
3.5 전지 전압에 미치는 압력의 영향 69
3.6 전지 전압에 미치는 농도의 영향 70
4. 연료전지에서의 전압 감소 73
4.1 연료전지 시스템과 관련된 용어 73
4.2 활성화 과전압 76
4.3 옴 저항 과전압 84
4.4 농도 과전압 85
5. 연료전지 효율 91
PART 3 고분자 전해질 연료전지
1. 고분자 전해질 연료전지의 역사 98
2. 고분자 전해질 연료전지의 구성 100
2.1 PEMFC 시스템 구성 100
2.2 PEMFC 스택 구성 101
3. 고분자 전해질 연료전지의 소재 106
3.1 고분자 전해질막 107
3.2 전극촉매 115
3.3 전극촉매 잉크 126
3.4 막전극접합체 127
3.5 기체확산층 132
3.6 분리판 139
3.7 개스킷 141
PART 4 고체산화물 연료전지
1. 고체산화물 연료전지의 작동 원리 147
1.1 SOFC의 원리 147
1.2 SOFC의 특징 153
2. 고체산화물 연료전지의 구조 및 특성 156
2.1 원통형 구조 157
2.2 평판형 구조 164
2.3 세그먼트형 구조 168
2.4 평관형 구조 170
2.5 지지체별 SOFC의 특성 172
3. 고체산화물 연료전지의 구성 재료 174
3.1 전해질 174
3.2 공기극 177
3.3 연료극 180
3.4 연결재 183
4. 고체산화물 연료전지 시스템 기술 186
4.1 SOFC 상용화 요구 조건 187
4.2 국내외 기술개발 현황 188
PART 5 용융탄산염 연료전지
1. 용융탄산염 연료전지의 작동원리 및 구조 198
1.1 MCFC의 원리 198
1.2 MCFC에서의 연료개질 200
2. 용융탄산염 연료전지 스택 및 시스템 202
2.1 MCFC의 구성요소 202
2.2 MCFC의 성능에 영향을 미치는 요소 206
2.3 MCFC의 단위셀과 스택의 적층구조 209
3. 국내외 용융탄산염 연료전지 개발현황 215
3.1 국외 현황 215
3.2 미국의 MCFC 개발현황 215
3.3 일본의 MCFC 개발현황 216
3.4 유럽의 MCFC 개발현황 218
3.5 국내 MCFC 개발현황 223
3.6 발전용 MCFC의 적용 224
참고 문헌 234
저작물 게재(이용) 현황 238
1. 전기의 역사 10
2. 연료전지의 역사 13
3. 연료전지의 원리 19
4. 연료전지의 종류 21
4.1 고분자 전해질 연료전지 21
4.2 직접메탄올 연료전지 22
4.3 인산형 연료전지 24
4.4 용융탄산염 연료전지 25
4.5 고체산화물 연료전지 27
4.6 알칼리 연료전지 28
5. 연료전지의 용도 31
5.1 휴대용/이동형 연료전지 31
5.2 가정용 연료전지 32
5.3 자동차용 연료전지 38
5.4 발전용 연료전지 41
PART 2 연료전지 이론
1. 에너지와 일률 46
2. 열역학 48
2.1 시스템과 외부 48
2.2 열역학 제일 법칙 49
2.3 열역학 제이 법칙과 제삼 법칙 51
2.4 깁스 자유에너지 53
2.5 깁스 자유에너지와 기전력 58
3. 전기 화학 61
3.1 산화와 환원 61
3.2 전지의 전압 62
3.3 표준 전극 전위 64
3.4 전지 전압에 미치는 온도의 영향 67
3.5 전지 전압에 미치는 압력의 영향 69
3.6 전지 전압에 미치는 농도의 영향 70
4. 연료전지에서의 전압 감소 73
4.1 연료전지 시스템과 관련된 용어 73
4.2 활성화 과전압 76
4.3 옴 저항 과전압 84
4.4 농도 과전압 85
5. 연료전지 효율 91
PART 3 고분자 전해질 연료전지
1. 고분자 전해질 연료전지의 역사 98
2. 고분자 전해질 연료전지의 구성 100
2.1 PEMFC 시스템 구성 100
2.2 PEMFC 스택 구성 101
3. 고분자 전해질 연료전지의 소재 106
3.1 고분자 전해질막 107
3.2 전극촉매 115
3.3 전극촉매 잉크 126
3.4 막전극접합체 127
3.5 기체확산층 132
3.6 분리판 139
3.7 개스킷 141
PART 4 고체산화물 연료전지
1. 고체산화물 연료전지의 작동 원리 147
1.1 SOFC의 원리 147
1.2 SOFC의 특징 153
2. 고체산화물 연료전지의 구조 및 특성 156
2.1 원통형 구조 157
2.2 평판형 구조 164
2.3 세그먼트형 구조 168
2.4 평관형 구조 170
2.5 지지체별 SOFC의 특성 172
3. 고체산화물 연료전지의 구성 재료 174
3.1 전해질 174
3.2 공기극 177
3.3 연료극 180
3.4 연결재 183
4. 고체산화물 연료전지 시스템 기술 186
4.1 SOFC 상용화 요구 조건 187
4.2 국내외 기술개발 현황 188
PART 5 용융탄산염 연료전지
1. 용융탄산염 연료전지의 작동원리 및 구조 198
1.1 MCFC의 원리 198
1.2 MCFC에서의 연료개질 200
2. 용융탄산염 연료전지 스택 및 시스템 202
2.1 MCFC의 구성요소 202
2.2 MCFC의 성능에 영향을 미치는 요소 206
2.3 MCFC의 단위셀과 스택의 적층구조 209
3. 국내외 용융탄산염 연료전지 개발현황 215
3.1 국외 현황 215
3.2 미국의 MCFC 개발현황 215
3.3 일본의 MCFC 개발현황 216
3.4 유럽의 MCFC 개발현황 218
3.5 국내 MCFC 개발현황 223
3.6 발전용 MCFC의 적용 224
참고 문헌 234
저작물 게재(이용) 현황 238
저자
저자
박진남
저자 박진남은 경일대학교 신재생에너지학과
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