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민석 빈
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1 Energy and Future Society Energy Conversion and Fuel Cell 박찬호에너지프로그램융합기술학제학부

2 Chanho Pak ( 박찬호 ) Education 1995: Ph. D. in Department of Chemistry ( 화학과 ), KAIST ( 한국과학기술원 ) 1992: M. S. in Department of Chemistry, KAIST ( 한국과학기술원 ) 1990: B. S. in Department of Chemistry, KAIST ( 한국과학기술원 ) Experience ~ : Associate Professor ( 부교수 ), Gwangju Institute of Science and Technology ~ : Vice President, Samsung SDI ( 삼성 SDI) ~ : Master, SAIT ( 종합기술원 ), Samsung Electronics( 삼성전자 ) ~ : Post-doctoral researcher, College of Chemistry, University of California at Berkeley and LBNL ~ : Post-doctoral associate, Department of Chemical Engineering, Yale University ~ : Senior Researcher, SAIT, Samsung Electronics Expertise area ( 전문분야 ) Fuel Cell ( 연료전지 ), membrane electrode assembly ( 막전극접합체 ) Electrocatalyst ( 전기화학촉매 ), mesoporous carbon materials ( 다공성탄소소재 ) Chemical conversion catalyst ( 화학전환촉매 ) 11

3 Technologies for future Energy Conversion Fuel Cell ( 연료전지 ) Solar Cell ( 태양전지 ) (Organic Photovoltaics, Quantum Dot SC and Display) Energy Harvesting ( 에너지수확기술 ) Artificial Photosynthesis ( 인공광합성 ) Energy Storage Flexible Battery ( 플렉시블전지 ) Li-Air Battery ( 리튬 - 공기전지 ) ESS (Energy Storage System, 에너지저장장치 ) Others Wireless Power Transmission ( 무선전송기술 ) Water purification ( 물정화기술 ) 22

Conservation Law ( 에너지보존의법칙 ) During the conversion(transformation),

4 Energy Conversion (transformation) Process of chaining one form of energy to another form of energy ( 에너지형태가바뀌는것, 즉에너지종류가변화되는것 ) Energy Conservation Law ( 에너지보존의법칙 ) During the conversion(transformation), energy loss should occur ( 에너지변환에는에너지손실이따라옴 ) Energy efficiency ( 에너지효율 ) 33

Energy Efficiency The ratio between the useful output of an energy conversion system and the input ( 입력에너지와유용한출력에너지의비율 ) ηη = EE oooooo EE iiii For the

5 Energy Efficiency The ratio between the useful output of an energy conversion system and the input ( 입력에너지와유용한출력에너지의비율 ) ηη = EE oooooo EE iiii For the many conversion processes in the system, the total efficiency is the product of all conversion efficiency ( 전체효율은각프로세스효율의곱 ) ηη tttttt = ηη 1 ηη 2 ηη 3 44

6 Energy Conversion : Example Coal-fired power plant ( 석탄화력발전 ) Chemical Energy in the Coal Thermal Energy of gases Thermal Energy of gases Thermal Energy of Steam Thermal Energy of Steam Mechanical Energy of turbine Mechanical Energy Electrical Energy by the generator Steam Turbine Generator Thermal energy Mechanical energy Electrical energy 55

produced from primary sources Non-renewables : Oil, Coals, Natural

7 Energy Conversion : Sources Primary Source : natural resources such as crude oil, hard coal, natural gas, Secondary Source : produced from primary sources Non-renewables : Oil, Coals, Natural Gas, Nuclear Renewable source : Solar Cell, Wind, Hydro power, Geothermal 66

from a coal, oil, or natural gas as a fuel ( 석탄, 석유,

8 Power Plant ( 화력발전 ) Production of electricity by rotating a turbine generator with power of steam made by boiling water from a coal, oil, or natural gas as a fuel ( 석탄, 석유, 천연가스를연료로하여수증기를이용한터빈발전방식 ) 가스발전 : 350 gco 2 /kwh 석탄발전 : 750 gco 2 /kwh 77

9 Nuclear Power Plant ( 원자력발전 ) Production of electricity by rotating a turbine generator by steam, which created by using the enormous heat from the uranium fission in a nuclear reactor ( 우라늄의핵분열에서나오는막대한열을이용한터빈발전방식 ) 88

10 Hydro power ( 수력발전 ) Production of electricity by rotating a turbine generator with an energy of falling water or fast running water ( 높은곳에서떨어지는물이나빠르게흐르는물을이용한터빈발전방식 ) 99

11 Wind Power ( 풍력발전 ) Production of electricity by mechanically rotating a wind turbine with a power of the wind (air flow) ( 바람의힘을이용한터빈발전방식 ) 1010

12 Solar Cell ( 태양전지 ) Power generation technology that directly converts solar energy from the sun into electricity ( 태양에서오는태양의빛에너지를전기로직접변환시키는발전기술 ) 1111

13 Fuel Cell ( 연료전지 ) Power generation technology that directly converts chemical energy of fuel into electricity ( 연료의화학에너지를전기에너지로직접변환하는발전기술 ) 경기그린에너지연료전지발전소

14 Fuel Cell ( 연료전지 ) 연료전지발전시스템은녹색성장산업의대표적제품 기존시스템 ( 화력발전 + 보일러 ) 1 차에너지 ( 석탄 석유 천연가스 ) - 송전손실 5% - 폐열손실 70~80% 연료전지시스템 1 차에너지 ( 천연가스, LPG) - 전기발생 35~40% - 열회수 40~50% - 발전손실 10~15%

15 Fuel Cell ( 연료전지 ) 연료전지시스템도입효과 고효율 1 차에너지소비량 31% 절감 타신재생에너지대비가장고효율 화력발전 + 상용보일러 I IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII 15.9MU 연료전지시스템 I IIIIIIIIIIII 10.9MU 31% 절감 1 차에너지소비량 (MU) 친환경 이산화탄소배출량 45% 절감 1kWh 당 2 톤 ( 연간 ) 의 CO 2 저감 화력발전 + 상용보일러 I IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII 1,002g CO 2 연료전지시스템 I IIIIIIIII 555g CO 2 45% 절감 CO 2 배출량 (g-co 2 )

연료전지원리 (1) 연료의화학에너지를전기에너지로직접변환, 고효율발전기 (40-60%) 수소와공기중산소의전기화학반응으로전기에너지와열을발생 e - H + 1 연료공급 - 연료 (Fuel) 과산화제 (Oxidant) 의연속공급 - 연료는음극 (Anode), 산화제는양극 (Cathode) 에공급 2

16 연료전지원리 (1) 연료의화학에너지를전기에너지로직접변환, 고효율발전기 (40-60%) 수소와공기중산소의전기화학반응으로전기에너지와열을발생 e - H + 1 연료공급 - 연료 (Fuel) 과산화제 (Oxidant) 의연속공급 - 연료는음극 (Anode), 산화제는양극 (Cathode) 에공급 2 전기화학반응 - 촉매 (Catalyst) 에의한전기화학적산화, 환원반응 3 이온, 전기전도 - 전해질 (electrolyte) 를통한수소이온전도 - 외부회로를통한전자이동으로전류발생 연료전지원리도 4 생성물배출 - 물과열을배출 Fuel Cell Fundamentals by F. Prinz et al. 1515

23 V V = E 0 - η act - η ohmic - η conc http://jeju.kier.re.kr/principal_biz/biz_plan/ plan.

17 연료전지원리 (2) 전기화학적수소산화반응을통하여수소이온과전자생성 산소환원반응을통하여물을생성 ( 물전기분해의역반응 ) 전기화학반응식 분극곡선 H 2 2H + + 2e - ½ O 2 + 2H + + 2e - H 2 O ½ O 2 + H 2 H 2 O E 0 = 0.0 V E 0 = 1.23 V E 0 = 1.23 V V = E 0 - η act - η ohmic - η conc plan.jsp E 0 = 열역학적이론전압 (1.23 V) ηη aaaaaa = 반응속도에따른 Activation 과전압 ηη oooooooooo = 이온과전자이동저항에의한 Ohmic 과전압 = 물질전달저항에의한 Concentration 과전압 ηη cccccccc 1616

18 촉매 (Catalyst) 란? 화학반응에서반응속도를빠르거나느리게변화시키는물질 반응에필요한활성화에너지를변화시켜반응속도변화 높은산길에중간터널을만들어서빨리지나가게하는것과동일 에너지 a b 활성화에너지증가 ( 부촉매 ) 활성화에너지감소 ( 정촉매 ) 반응물 생성물 c a: 정반응활성화에너지 b: 역반응활성화에너지 c: 반응열 반응경로 1717

19 수소산화반응 (Hydrogen oxidation reaction) 수소에서전자를떼낼때에는백금이라는촉매를사용 ( 전기화학반응 ) 수소분자에서 2 개의전자와 2 개의양성자를분리 ( 수소산화반응 ) 수소분자 2 H 2 4 H e 양성자 백금 (Pt) 입자 탄소 전자 백금 (Pt) 입자 1818

20 산소환원반응 (Oxygen reduction reaction) 수소로부터발생된전자를사용할수있는반응이필요 ( 전류발생회로 ) 공기중의산소에전자와양성자를반응시켜물을생성 ( 산소환원반응 ) O H e - 2 H 2 O 산소분자 전자 - 양성자 물 백금 (Pt) 입자 탄소 백금 (Pt) 입자 1919

21 연료전지와배터리 연료전지 (Fuel Cell): 연료를공급하여전기를발생시키는에너지전환장치 리튬이온전지 (LIB): 전기를저장하여필요한때에사용하는에너지저장장치 Fuel Cell Li-ion Battery 2020

22 연료전지의역사 (History) (1) 1839년영국윌리엄그루브경이 가스배터리 라고제안 황산용액내의백금막대를이용하여수소, 산소로부터전류발생 이때생긴전기를이용하여물이전기분해되는것을보임 ox: 산소 (oxygen) hy: 수소 (hydrogen) 백금전극 (Pt Electrode) 2121

23 연료전지의역사 (History) (2) 미국나사 (NASA) 에서우주선에실제로처음이용 우주선연료 ( 수소, 산소 ) 를이용하여전기와물 ( 식수 ) 을생성 제미니 5 호 (Gemini) (1965) 아폴로 11 호 ( Apollo) (1969) 2222

연료전지의역사 (History) (3) William Grove invents the gas battery,

exchange membrane fuel cell 1950s NASA first uses fuel cells

1980 Fuel Cells to be sold commercially as APU and for

units become commercially available in Japan 2009 Hyundai

production line 2013 1801 Humphry Davy demonstrates the

Ludwig Mond named the fuel cell 1959 Francis bacon

prompts the development of alternative energy including PAFC

commercial and industrial locations 2008 Honda begins leasing

portable fuel cell chargers are sold 2014 TOYOTA launches

24 연료전지의역사 (History) (3) William Grove invents the gas battery, the first fuel cell 1839 General Electric invents the proton exchange membrane fuel cell 1950s NASA first uses fuel cells in space missions 1960s US Navy uses fuel cells in submarine 1980 Fuel Cells to be sold commercially as APU and for stationary backup power 2007 Residential fuel cell micro-chp units become commercially available in Japan 2009 Hyundai motors produces the fuel cell electric vehicles through production line Humphry Davy demonstrates the principle of what become fuel cells 1889 Charles Langer and Ludwig Mond named the fuel cell 1959 Francis bacon demonstrates a 5kW alkaline fuel cell 1970s The oil crisis prompts the development of alternative energy including PAFC 1990s Large stationary fuel cells are developed for commercial and industrial locations 2008 Honda begins leasing the FCX Clarity fuel cell electric vehicle 2009 Thousands of portable fuel cell chargers are sold 2014 TOYOTA launches Mirai 2016 HONDA launches New FCX Clarity Modified based on

25 연료전지의종류 전해질의종류에따라고분자전해질막연료전지 (PEMFC, DMFC), 인산형연료전지 (PAFC), 알칼리연료전지 (AFC), 용융탄산염연료전지 (MCFC), 고체산화물연료전지 (SOFC) 로구분 연료전지 종류 DMFC PEMFC PAFC AFC MCFC SOFC 전해질 고분자 전해질막 고분자전해질막인산 (H 3PO 4 ) 염기용액 (KOH) 용융탄산염 고체산화물 이온매체 H + H + H + OH - CO 3 2- O 2- 작동온도 촉매 PtRu, Pt ( 백금 ) Pt ( 백금 ) Pt ( 백금 ) Pt ( 백금 ) Ni ( 니켈 ) Perovskites ( 페로브스카이트 ) 연료 메탄올 (MeOH) H 2 H 2 H 2 H 2, CH 4 H 2, CH 4, CO DMFC: 직접메탄올연료전지, Direct Methanol Fuel Cell, PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Fell, PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell, AFC: Alkaline Fuel Cell, MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell, SOFC: Solid Oxide Fuel Cell 2424

26 연료전지의응용분야 (1) 응용분야는크게수송용, 정치용, 휴대용으로구분 수소전기차 수송용 수소전기버스 우주선, 잠수함 무공해 고효율저소음 연료전지 (Fuel Cell) 열병합고효율무공해 정치용 빌딩, 지역발전 보일러대체 고용량다연료휴대폰노트북태블릿 PC 휴대용 고효율저소음 소형발전기 UPS 2525

연료전지의응용분야 (2) 출력특성및작동온도에따라다양한응용분야 1000 DMFC:

SOFC: Solid Oxide Fuel Cell Stationary ( 정치용 ) 200

27 연료전지의응용분야 (2) 출력특성및작동온도에따라다양한응용분야 1000 DMFC: Direct Methanol Fuel Cell PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Fell PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell SOFC: Solid Oxide Fuel Cell Stationary ( 정치용 ) 200 Portable ( 휴대용 ) Transport ( 수송용 )

28 응용분야 : 건물용발전 (1) 울산수소타운 (2013 년 7 월구축 ) 산업체등에서발생하는순수수소를활용하여연료전지신시장모델구현 LS 니코동제련사택및부속건물 ( 사택 :296 세대중 140 세대 ) 설치용량 : 고분자전해질막연료전지, 195kW (1kW 140 기, 5kW 9 기, 10kW 1 기 ) 연료전지제조 : GS 칼텍스, 퓨얼셀파워, 효성, 현대하이스코

29 응용분야 : 건물용발전 (2) S-Fuelcell ( 연료전지개발업체 ) 스택, 연료변환기, 시스템통합설계등의연료전지핵심기술을보유 가정용 1kW 급, 건물용 5~10kW 급시스템및수소발전시스템등다양한연료전지제품군 Ecogener 는간편한조작과다양한환경에적용가능한 S-Fuelcell 의대표연료전지브랜드 2828

30 응용분야 : 물류차량 ( 지게차 ) 물류차량의납축배터리대체를위한연료전지 메탄올을연료로하는직접메탄올연료전지 정격출력 : 1.5kW 물류, 유통회사에서운송, 보관, 하역들을효율적으로진행

31 응용분야 : 휴대용 핸드폰용휴대용충전기 보조배터리를대신할수있는연료전지충전기시스템 영국 Intelligent Energy 와스웨덴 myfc 회사에서개발, 판매중 비싼가격을어떻게낮추고수소카트리지의공급이관건 3030

32 응용분야 : 수소전기차 연료탱크의수소와공기중산소로전기를발생하여모터를구동하는전기차로배출가스가물만있는궁극적인친환경자동차 3131

33 상용수소전기차 현대자동차 : , 도요타 : , 혼다 : 도요타 Mirai 현대자동차 Tucson ix35 혼다 FCX Clarity 3232

34 상용수소전기차 3 개수소전기차제원 (Specification) 비교 Vehicles Hyundai Tucson ix35 Toyota Mirai Honda Clarity Fuel Cell Release Date Types Power of Fuel Cell Stack SUV 5 occupants Sedan 4 occupants Sedan 5 occupants 100 kw 113 kw 103 kw Driving Range* 265 mi (426 km) 312 mi (502 km) 366 mi (589 km) Combined fuel economy* Vehicle size (mm) (length x width x height) Cost 50 MPGe (21.3 km/l) 66 MPGe (28.1 km/l) 68 MPGe (28.9 km/l) 4,895 1,875 1,475 4,890 1,816 1,534 4,915 1,875 1,480 85,000,000 won ($499/mon.) 70,000,000 won ($57,000) 76,600,000 won ($60,000) 3333

35 수소전기차택시 울산수소전기차택시시범사업실시 (2016 년 12 월 ) 환경부와울산시, 현대자동차는 12 월 13 일울산시청앞햇빛광장에서수소전기차택시시범사업발대식을갖고국내최초시범운행시작 수소택시 10 대를시작으로 2017 년에는수소충전소인프라구축지역확대운영계획 3434

수소충전인프라는진곡산단내충전소와현재구축중 (9 월완공 ) 인동곡충전소이용 한시간 9 천원에이용가능하고최대 5 일까지대여가능

36 수소전기차카셰어링 수소전기차카셰어링시범사업진행 ( 현대자동차공동 ) 광주창조경제혁신센터의보육기업인제이카는수소전기차 ( 투싼 ix 수소전기차 ) 15 대와전기차 ( 아이오닉일렉트릭, 쏘울 EV) 27 대투입 3 월말부터카셰어링서비스앱을통하여이용가능 수소충전인프라는진곡산단내충전소와현재구축중 (9 월완공 ) 인동곡충전소이용 한시간 9 천원에이용가능하고최대 5 일까지대여가능

37 개발중인수소전기차 Mercedes-Benz (2017), BMW, Audi, GM (2020) 3636

38 개발중인수소전기차 현대자동차 FE Fuel Cell Concept (Geneva Motor Show) 4 세대연료전지시스템적용 : 800 km 이상의항속거리확보목표 신기술은 2018 년출시를목표로개발중인차세대수소전기차에도적용예정 3737

39 전망 : Fueled By Everything Toyota 가 Mirai 판매를촉진하기위한광고동영상 쓰레기를압축해나오는바이오가스에서수소를추출하는과정을소개 미래에다양한에너지원으로부터수소를얻을수있다는것을암시 3838

40 전망 : Power To Gas ( 물전기분해 ) 지구상에가장많이존재하는물로수소를만들어사용하고자함 무한에너지 재생에너지로만들어지잉여전기 (Excess Electricity) 들을이용하여물을전기분해하여수소로저장 3939

41 전망 : 물로자동차를움직이는기술 연료전지시스템에서전기를만들어서전기모터를움직이는자동차 수소는물로부터만들어서자동차에공급 매연배출 석유 가솔린 제어기 직류교류내연기관 감속모터기모터 구동 : 엔진대신전기모터 연료 : 수소가스 동력원 : 연료전지시스템 배기 : 수증기 ( 무공해 ) H 2 O + 전기 H 2 + O 2 수증기배출 수소직류물연료전지 교류 감속모터기모터 제어기 공기 공기공급기 4040

42 전망 : 물로자동차를움직이는기술 물과폐금속촉매로수소를만들고바로연료전지에공급하여모터구동 폐금속을이용한고속수소생산기술과시연용공기공급장치등추가개발중 폐금속을이용한미니연료전지자동차 신소재공학부엄광섭교수자료 4141

43 전망 : Energy Catalyst and Device Lab Clean hydrogen ( 청정수소 ) from the renewable energy sources through electrolysis Fuel cell ( 연료전지 ) act as ultimate energy conversion device with high efficiency Contribute to the sustainable smart grid using carbon neutral energy sources 태양전지 (Solar Cell) 바이오매스 (Biomass) 청정수소 (Clean Hydrogen) 지속가능한스마트그리드 (Sustainable Smart Grid) 4242

44 마무리 : 청정수소사이클 기후변화대응과제자료 4343

45 경청해주셔서감사합니다. 44

연료전지 기본개념 및 응용분야

연료전지 기본개념 및 응용분야 신에너지첨단소재및혁신융합기술 - 제 2 강 연료전지기본개념및응용분야 목 차 연료전지의정의 연료전지의역사 연료전지의발전원리 연료전지의종류 연료전지의응용분야 연료전지의국내외기술동향 연료전지의시장규모 결언 들어가며 수소연료전지는친환경적이고, 획기적인에너지원으로서미국의에너지자립도를높일것이다. 이에향후 5 년간 12 억불을투자 ( 국정연설, 03.1) 연료전지자동차와가정용연료전지시스템을