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 3 년이내에실용화 ( 고이즈미총리국회연설, 02. 2) 명실공히수소시대로가고있다. 제임기동안적극적으로밀어드리겠다. 자랑스럽다. ( 에너지자문회의에서연료전지차승차후, 05.3)
연료전지의정의 연료의산화 ( 酸化 ) 에의해서생기는화학에너지를직접전기에너지로변환시키는전지 장점 무공해 : NOx 및 SOx 를배출하지않음 무소음 : Moving part 가없음 고효율 : Carnot cycle 의제한을받지않음 다연료 : 수소, 석탄가스, 천연가스, 바이오가스등 열병합 : 폐열활용이가능함 단점 경제성 기술의신뢰성및내구성
연료전지의역사 1839 년영국의 Grove 경에의해연료전지 작동원리의발견 1937 년영국의 Bacon 에의해연료전지개발 1960 년대미국의 Gemini program 에서 연료전지우주선탑재 1990 년대자동차등산업에연료전지적용
연료전지의역사 Invention of fuel cell Scientific curiosity Reinvention Industrial curiosity Space program Entrepreneural phase Birth of new industry 1839 1937 1960 s 1990 s Fuel Cell history time line
연료전지의발전원리 Anode : 2H 2 4H + + 4e - Cathode : O 2 + 4e - 2O 2O 2- Overall : 2H 2 + O 2 2H 2 O
연료전지의발전원리 연료전지에서의실제전압 V = E η V : 작동전압 η: 과전압 η = η a + η b + η c η a : 활성화과전압 (activation overpotential) η b : 농도과전압 (concentration overpotential) η c : 저항과전압 (resistance overpotential)
연료전지의발전원리 Thermodynamic reversible cell potential (E) Intrinsic maximum efficiency The ideal cell-potential-current relation Cell Potential, Volts Cell-potential losses due to activation overpotential (Lack of electrocatalysis) Linear drop in cell potential mainly due to ohmic losses in solution between electrodes Mass-transport losses cause decrease of cell potential to zero 0 Current Density, ampere/cm 2 연료전지전류 VS. 전압곡선
연료전지의종류 연료전지의형태 전해질 (Phase) 작동온도 알칼리형연료전지 (Alkaline Fuel Cell) 용융탄산염연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell) 인산형연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell) 고분자전해질연료전지 (Polymer Electrolyte Fuel Cell) 고체산화물연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell) KOH (Liquid) Lithium or potassium carbonate (Liquid) Phosphoric Acid (Liquid) Polymer membrane (Solid) Yttria-stabilized (Solid) 80 o C 650 o C 170 o C ~ 200 o C 25 o C ~ 100 o C 700 o C ~ 1000 o C 직접메탄올연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell) 와직접개미산연료전지 (Direct Formic Acid Fuel Cell) 는 고분자전해질연료전지의일종
알칼리형연료전지 (AFC) 연료전지중가장높은전기효율 순수한가스 ( 수소 ) 로만작동가능 주요특성 운전온도 : 60 ~ 90 발전효율 : 45 ~ 60% 전해질 : 수산화칼륨 ( 액체 ) 촉매 : Platinum on Carbon 주연료 : 수소 용도 : 특수목적 ( 우주선전원, 잠수함 )
용융탄산염연료전지 (MCFC) 높은작동온도에따른폐열이용가능 다양한종류의연료로작동가능 주요특성 운전온도 : 600 ~ 700 발전효율 : 45 ~ 60% 전해질 : Lithium, Potassium Carbonate ( 액체 ) 촉매 : Li 2 CO 3, K 2 CO 3 / 니켈, 니켈화합물 주연료 : 천연가스, LPG, 석탄가스 용도 : 분산형, 열병합, 대형발전소등수 MW 급
인산형연료전지 (PAFC) 상용화된시스템중가장발전된시스템 고정용발전설비로서사용 (0.2 ~ 20MW MW) 주요특성 운전온도 : 190 ~ 220 발전효율 : 45 ~ 50% 전해질 : 인산 ( 액체 ) 촉매 : Platinum on PTFE/Carbon 주연료 : 천연가스, 메탄올 용도 : 현지설치 / 분산형, 소규모발전소, 병원등 PTFE : Polytetrafluoroethylene
고분자전해질연료전지 (PEFC) 양성자가전도되는막을전해질로사용 낮은온도에서사용가능 주요특성 운전온도 : 25 ~ 100 발전효율 : 40 ~ 60% 전해질 : Polymer Membrane 촉매 : Platinum 주연료 : 수소, 메탄올, 개미산 용도 : 수송용, 분산형, 휴대용발전기등 Cf. PEM : Proton Exchange Membrane
고체산화물연료전지 (SOFC) 고체전해질로서전해질누설의위험이없음 촉매층의수분범람문제가없음 주요특성 운전온도 : 800 ~ 1000 발전효율 : 50 ~ 60% 전해질 : Yttria Stabilized Zirconia ( 고체 ) 촉매 : 니켈 /Zirconia 합금 주연료 : 천연가스, 석탄가스 용도 : 분산형, 열병합, 대형발전소등
연료전지의응용분야
휴대용연료전지 휴대용연료전지의필요성 휴대전화기능 & 소비전력증가 통화전용 메일 칼라액정 동영상카메라 소비전력 DMB 지상파전송 New Battery LiB (Fuel Cell) NiCd NiH 1995 2000 2005 2007
휴대용연료전지 2차전지와연료전지의가격비교 Unit Energy Cost ($/Wh Wh) Percentage of total DMFC cost (%) OEM : Original Equipment Manufacturing
휴대용연료전지 상용화로드맵
가정용연료전지 도시가스를이용한가정용연료전지는전기생산의비용을절감하고청정에너지를안정적으로공급
가정용연료전지 상용화로드맵 ~ 2004 ~ 2007 ~ 2010 2011 ~ 3kW 급가정용열병합시스템 5 ~ 10kW 상업용열병합시스템 3kW 급실증평가 5 ~ 10kW 급실증평가 전기사업법개정및특별법제정 발전차액지원의무할당제도입 2012 년까지 10,000 기보급
수송용연료전지 대기오염기여도 40% CO2 발생량 20% 연료전지자동차의개발 석유사용량 21%
수송용연료전지 연료전지자동차기술개발과제 항목 내구성 ( 수명 ) 냉시동성 자동차가격 현재 2000 시간 (4 년 ) 영하 20 10 억원 / 대 목표 5000 시간 (10 년 ) 영하 40 1억원 / 대 주행거리 ( 현재 ) 주행거리 ( 향후 ) CO2 배출량 (g/km) 가솔린내연기관 140 원 /km 280 원 /km 240 연료전지 125 원 /km 40 원 /km 0
수송용연료전지 상용화로드맵 연료전지 1단계 (~ 06) 2단계 ( 07 ~ 09) 3단계 ( 10 ~) 자동차 선행기술개발및실증시험 양산설계 / 생산기술확보 소량생산 가격경쟁력및내구성향상
발전용연료전지 연료전지발전과화력발전의비교 연료전지발전 화력발전효과 발전효율 50 ~ 60% ( 열병합시 80%) 20 ~ 30% 에너지절약 공해배출 NOx 0.04% (CO 2 40% 저감 ) SOx, NOx, Dioxin 등 청정에너지 연 료 석유, 석탄가스천연가스, 수소 석유, 석탄가스천연가스 대체에너지 입 지 도심지 원거리지역 송배전투자저감
발전용연료전지 상용화로드맵 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 기술개발및보급기반구축 사업기반구축 시장진입및본격보급 규격결정 기술개발 (250kW 급 ) 실증시험 MW 급 MCFC 시스템개발 선도기업과전력적제휴 Joint Venture 250kW 급 10 기시범보급사업 본격적인생산 / 보급 MW 급시스템실증시험 실증시험및보급기반구축 시장형성 독자모델개발및시장확대
연료전지의국내기술개발동향 ( 휴대용 ) IT 기기 ( 휴대폰, 노트북, PDA 등 ) 와같은분야에적용하기위한소형연료전지의개발 한국에너지기술연구원 : 과기부의국가지정연구실사업을통한소형이동용연료전지개발수행 KIST, GIST, 서울대, 연세대등에서촉매, 전해질막, MEA 등에대한기초연구진행중 2002 년 CETI 에서국내최초연료전지노트북개발 2004 년 4월삼성종합기술원에서연료전지탑재노트북개발 2005 년 9월 LG 화학에서 25W 급노트북용연료전지 시제품공개 PDA : Personal Digital Assistants
연료전지의국내기술개발동향 ( 휴대용 ) 메탄올 100CC 로 10 시간구동 삼성의연료전지노트북
연료전지의국내기술개발동향 ( 휴대용 ) LG 화학에서개발한노트북용연료전지
연료전지의국외기술개발동향 ( 휴대용 ) 북미 : 휴대용분야에가장활발한연구, 시제품개발수준 일본 : 대부분의배터리, 전자기기업체들이일반소비자를위한대량생산계획 유럽 : 독일을중심으로활발한연구, 아직뚜렷한성과를얻지못함
연료전지의국외기술개발동향 ( 휴대용 ) Ball Aerospace - 제품명 : PPS-50 - Power : 50W - Fuel : 수소 - 군용으로사용중 Colman Powermate - 제품명 : AirGen - Power : 1kW - Fuel : 수소 - 2004 년판매시작 ( 약 $6000)
연료전지의국외기술개발동향 ( 휴대용 ) 노트북용연료전지 (Millennium Cell) 핸드폰용연료전지 (Casio) PDA 용연료전지 (Hitachi)
연료전지의국내기술개발현황 ( 가정용 ) 과기부나산자부의주관으로진행중 한국에너지기술연구원 1996 년 : 2kW 급고분자연료전지스택개발 1999 년 : 5kW 급고분자연료전지스택및시스템개발 ( 메탄올 ) 2001 년 : 5kW 급연료전지시스템개발 ( 도시가스 ) 2002 년 : 정부과제로소형화, 자동화된 3kW 급가정용연료전지시스템 KIST 1999 년 : 3kW 급 PEMFC 시스템개발 2005 년 : 1kW 급 SOFC 시스템개발
연료전지의국내기술개발현황 ( 가정용 ) 대구도시가스 - 2004 년 3월 2kW 급가정용연료전지시스템개발 GS Fuel Cell - 2004 년 4월 1kW 급가정용연료전지시스템개발 - 효율 : 최대 76% - 연료 : 도시가스 FuelCell Power 2004 년 6월 1kW 급가정용연료전지시스템개발 효율 : 최대 75% 연료 : 도시가스
연료전지의국외기술개발현황 ( 가정용 ) 북미 : Ballard 사를중심으로 2005 년상용화 유럽 : Baxi 와 Vaillant 에서가정용열병합발전시스템개발 일본 : 산요전기, 마쓰시타전기, 에바라발라드등의주요제조업체에서 1 ~ 2kW 급가정용열병합발전시스템개발
연료전지의국외기술개발현황 ( 가정용 ) Balard Power System - 1kW 급가정용열병합발전 - 효율 : 최대 92% - 연료 : 도시가스 - 2005 년시판 ($4,000) Avista Labs - 1kW 급백업전원용 - 연료 : 산업용수소 - 시제품판매중 ($8,050)
연료전지의국외기술개발현황 ( 가정용 ) NUVERA Fuel Cells - 1kW 급가정용열병합발전 - 연료 : 도시가스 - Proto type 실증시험중 Sanyo Electric - 1kW 급가정용열병합발전 - 연료 : 도시가스 - 2005 년시판 ($4,000)
연료전지의국내기술개발현황 ( 수송용 ) 현대자동차 (2002) - 제품명 : 싼타페 - Power : 75kW - Fuel : 수소 - 주행거리 : 160km 현대자동차 (2004) - 제품명 : 투싼 - Power : 80kW - Fuel : 수소주행거리 : 300km - 혹한 (-20 ) 에서주행
연료전지의국외기술개발현황 ( 수송용 ) 미국 : PNGV (Partnership for a New Generation of Vehicles) 라는수송용연료전지개발프로젝트를추진 (1993 ~ 2002) 일본 : 일본엔지니어링진흥협회 (ENAA) 의주관으로연료전지자동차주행시험 (2002 ~ 2005) 유럽 : PSA, 르노, Volvo, De Norra 등이참여한 JOULE Program 을 1993 년부터시작
연료전지의국외기술개발현황 ( 수송용 ) 유럽청정도시교통프로그램 (CUTE: (CUTE: Clean Urban Transport in Europe) 연료전지버스 30 대 (EU 27 대, 아이슬란드 3대 ) 를도입하는데 5천만유로이상투자, 이는 EU 전체투자비의 1/3 연료주입방법, 액화수소운반의실용성과경제성, 물전기분해나천연가스전환을통한수소제조 등의시험장
연료전지의국내외기술개발현황 ( 수송용 )
연료전지의시장규모 발전용 가정용 수송용 이동형 세계시장 (2010 년기준 ) US$ 120~220 억 (ABI 사예측 ) US$ 240 억 (BC Inc. 예측 ) US$ 150 억 (ABI 사예측 ) US$ 25 억 (ABI 사예측 ) 국내시장 (2010 년기준 ) 1.4 조원 ( 한전예측 ) - 0.6 조원 (2015 년, 현대차예측 ) 0.4 조원 ( 산업자원센터예측 ) ( $ 1 = 1,100 원 )
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