수소연료전지 기술개발 현황

수소 연료전지기술개발현황 2004.1.16. 한국과학기술연구원홍성안

수소경제사회의부상 가채량제한 환경오염 NIMBY 에너지안보 수소경제 수소에너지 : 가시권에있는인류에너지문제의유일한대안 ( 수소경제 ) 연료전지 : 수소에너지활용기술의핵심기술 10 대차세대성장동력

수소경제와연료전지 과도기 ( 현재 ) 화석연료 천연가스 석탄 석유 / 잔사유 원자력 수증기개질 열분해 가스화 물 전기분해 열분해 태양열태양광풍력 Bio 대체에너지 장기 발전소제철소 CO 2 수소 화학적수소저장 (CO 2 활용 ) 물리적수소저장 ( 합금, LH 2, CNT, 고압가스 ) 연료전지 발전용가정용수송용휴대용

미 일의개발의지 Hydrogen fuel cells represent one of the most encouraging, innovative technologies of our era. Joint me in this important innovation to make our air significantly cleaner, and our country much less dependent on foreign sources of energy. 수소에너지개발에 $ 1.2 billion 투자 ( 국정연설, 03.1) 연료전지자동차와가정용연료전지시스템을 3년이내에실용화 ( 고이즈미총리국회연설, 02. 2)

수소 연료전지관련세계현황 상호협력체계구축추진 Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program 수소생산및저장기술 - Freedom Fuel - 기간 : 03 15 - 예산 : 12 억 $( 향후 5 년간 ) 운송용연료전지 - Freedom CAR - 연료전지차량기술 - 기간 : 02 10 - 예산 : 5 억 $( 향후 5 년간 ) 발전용 / 가정용연료전지 - 보급지원금및우선구매 -SECA 휴대전원 / 군수용연료전지 - Micro Fuel Cell in DARPA 연료전지차설계기준및수소인프라안전법규제정 글로벌수소경제로의전환촉진을위한정부기구간협력체 - 난제들공동해결 - 표준개발 - 실용화촉진을위한정책및기술가이드수립 국제협력을통한합리적인에너지정책의촉진을위한 OECD 국가간협력체 - 첨단연료전지기술 (MCFC, PEMFC) - 수소생산및이용기술 경제산업성주관하에민관합동개발 : 신에너지법, 우선구매제도, 지역별보급촉진사업지원 WE NET Program - 수소에너지의안정성및인프라개발사업 - 수소충전소운영 (NEAA) - 예산 : 341 억엔 ( 02 년 ) Millennium Project - 연료전지보급을위한기반조성사업 JHFC Project FCV 시범운행 (JARI) 863 계획 - 연료전지시스템개발 - 기간 : 01 05 - 예산 : 1,500 억원 / 년 EU 전체의공동개발보급진행 : 신재생에너지의적극적인개발및수소에너지에대한공동개발참여 Framework Program - 발전및운송용연료전지가격절감 - 수소제조및공급인프라등에관련기술개발 - 02~ 07 년제 6 차계획 - 예산 : 21.2 억 CUTE, ECTOS 프로그램 - 유럽 10 개도시 - 30 대 FC 버스시범운행 - 예산 : 9 억 $

응용분야 PEMFC DMFC SOFC SOFC µ-fc MCFC ~mw 3 W 50 W 2 kw 70 kw ~MW MEMS Cellular phone Lap-top computer RPG Transportation Power plant

발전용연료전지 (MCFC) 현황및전망 생산 / 판매망 DOE 전력회사 04 06 08 10 12 미국 Caterpillar ( 미 ) MTU ( 독 ) FCE PPL Alliance Power 실증 보급 Marubeni ( 일 ) Chevron 시장자립 NEDO 04 06 08 10 12 일본 IHI Chubu Power Hokaido Power 연구개발 실증 AIST MCFC 조합 CRIEPI 보급 한국 산자부 삼성 ENG 전력연구원 효성중공업 KIST RIST 대학 04 06 08 10 12 연구개발실증보급

국내발전용 MCFC 개발현황 93 94 95 96 97 98 99 2000 2001 2002 2003 2004 1 단계 100W 1.5kW 2 kw 2 Phase 1 7 kw 25kW 6kW 단계 Phase 2 100kW

국내발전용 MCFC 개발현황 25 kw 급 MCFC system (2000) 100 kw 급 MCFC 스택설계

분산발전용 MCFC 투자경제성분석 기본가정 시스템효율 : 90% ( 발전효율 : 45%, FCE 기준 ) 설치보조금 : 50% 차입 ( 연리 6.5%) 우선구매제도 : 320 원 /kwh (5 년 ), 50 원 /kwh ( 미적용시 ) 초기설비투자비 : 600 만원 /kw (FCE 현재가기준 ) 스택교체기간 : 매 5 년 스택비용 : 240 만원 /kw( 현재 ), 70 만원 /kw(5 년후교체시 ) 전제조건 BOP 상각년수 : 16년 부대설비비용 : 360만원 /kw 연간운전시간 : 8,000시간 연료비 (LNG): 315.4원 /Nm 3 매출액 : 전력판매액 + 온수판매액 시스템가격에따른경제성평가 단위 : 백만원 500 kw 연간발전량매출액영업이익이익율세후이익 발전차액적용 4,000 MW 1,599 879 55% 537 발전차액미적용 4,000 MW 519-200 - -303

발전용연료전지개발사업계획 목표 기술개발 04 06 08 10 12 국내개발 100kW 실증 250kW Prototype 개발 실증공동연구 (FCE, MTU, Ansaldo) 경제성검토 시스템도입및실증 실증 고유모델개발 보급 보급 04 06 08 10 12 국내개발 기반기술 구성요소신뢰성확보 -BOP 개발 기초공정최적화 상용 Prototype 개발 구성요소성능 / 신뢰성향상 - 저가대면적구성요소 -BOP 개발 상용화및대형시스템개발 가격저감기술 - 대량생산기술 - 생산설비구축 사업운영 기업체참여유도 전략적제휴검토 (FCE, Ansaldo) -System 및 BOP 기술의선택적 outsourcing 사업단 실무위원회 주관기관 전력회사 기업 출연연 대학

수송용연료전지 (PEMFC) 개요 분야민생용 On-Site 용승용차용 공공차량용 ( 버스 ) 출력규모 0.5-3 kw 30-200 kw 20-50 kw 20-250 kw 요구치 - 발전효율 - 수명 - 정지회수 - 30-40% - 6-10 만시간 - 수천회 - 30-40% - 4 만시간 - 수회 - 30% - 5,000 시간 - 1 만회 - 30% - 5,000 시간 - 수만회 - 저가격, 경량, 콤팩트화 기술과제 - 저가격화 - 보수간소화 - 운전정지에대한내구성 - 저소음화 - 열이용향상 - 물의동결방지 - 가솔린개질기술 가격대 10 만엔 /kw 15 만엔 /kw 1-2 만엔 /kw 5 만엔 /kw 시장규모 (2010 년일본 ) 500 억엔 / 년 500 억엔 / 년 2000 억엔 / 년 50 억엔 / 년

연료전지자동차개발현황 생산계획기업소량생산양산포드 2004 ~2010 시제품 기술개발수준성능확보단계에서제품및생산기술개발단계로진입 DC 2003 GM 2005 도요타 2002 닛산 2003 혼다 2002 현대 2004 ~2010 미정 ~2010 미정 ~2010 ~2010 개발차종승용 : 탑재성유리한 SUV 중심상용 : 인프라유리한버스중심 조기생산을통한인프라개발촉진및시장선점추구 각종시범운행사업을통한시장접근방안탐색중 ( 美캘리포니아연료전지파트너쉽, 일본연료전지실증시험, EU 연료전지버스운행시험등 )

국내연료전지자동차기술개발현황 2000 25kW급연료전지시스템개발 ( 현대차 ) 25kW급 PEMFC 개발 ( 현대차, KIST) 25kW급메탄올연료변환기개발 (SK) 2001 10kW급연료전지시스템개발 ( 현대차 ) 10kW급 PEMFC 개발 (KIST, 현대차 ) 10kW급메탄올연료변환기개발 (SK) 메탄올연료전지하이브리드자동차개발 ( 현대차, 대우차 ) 산타페수소연료전지자동차개발 ( 현대차 ) 2002 싼타페메탄올연료전지자동차개발 75kW PEMFC 개발하이브리드연료전지차고온 / 고지시험 2003

수송용연료전지개발사업계획 04 06 08 10 12 80kW 시스템실증 상용화기술확립 보급 목표 스택출력밀도 0.8 kw/l 1 kw/l 1.2 kw/l 시스템출력밀도 0.45 kw/l 0.55 kw/l 0.65 kw/l 시동가능온도 0 o C - 20 o C - 30 o C 수명 1,000 시간 3,000 시간 5,000 시간 제작단가 <2,000천원 /kw < 700천원 /kw < 100천원 /kw 보급 자동차 10,000대, 버스 5,000대 시스템기반기술개발 상용시스템개발 시스템특성향상 기술개발 스택신뢰성확보 시스템소형화 기본제작공정최적화 전체시스템원가절감 내구성, 신뢰성향상 수소탑재기술확립 내환경성확보 안전성향상 정비상향상 사업운영 -기업체주도 -국제공동협력사업활용기술적난제해결 -연료전지자동차실용화를대비하여수소제조, 저장, 공급기술은타사업연계진행 -가정용, 휴대용 PEMFC와의공통기술공유에의한기술개발가속화추진

가정용 / 상업용연료전지개발현황및전망 PEMFC EERE Stationary Fuel Cell DOE SOFC FE SECA 미국 IdaTech, UTC, Caterpillar (2010) 가격 $400-750/kW, 수명 40,000h, 효율 40%, APU 경우 150W/L, 150W/kg Delphi, GE, Cummins, SW, FCE (2010) 3-10kW 모듈, $400/kW 일본 - 요소및시스템기술개발 - 시스템보급기반정비 (Millenium) - LPG 사용연료전지기술개발 산요, 마쓰시다, 일본가스협회, 도시바 실증시험 -(2005)- 도입적용 -(2010)- 보급확대 NEDO SOFC 연구개발 TOTO, 큐슈전력, 미쓰비시중공업 (2004) kw 급모듈의안정성확보 한국 KIER 한국타이어화학연등 CETI FCP (2005) 3kW PEMFC 시스템 산자부 전력연 (2006) 1kW SOFC 시스템 KIST RIST 요업기술원 KAIST 등

가정용 / 상업용연료전지개발현황 PEMFC system SOFC system Sanyo Matsushita Sulzer-Hexis IdaTech

가정용 / 상업용연료전지개발사업계획 04 06 08 10 12 목표 3kW 급시스템개발 상용화기술개발및실증 10kW 급시스템기술개발 보급확대 상용화기술개발 (2010) 발전효율 40% 이상, 제작단가 200 만원 /kw 이하 시스템기반기술개발 상용시스템개발 대형화 기술개발 스택신뢰성확보 장시간안정성향상 스택생산단가절감 - 소형 BOP 개발 - 기동 / 정지특성향상 전체시스템원가절감 시스템내구성, 신뢰성향상 - BOP 포함시스템소형화 시스템효율향상 안전기술확립 대량생산기술확보 시스템안전성향상 사업운영 - 기업체주도PEMFC, SOFC 병행개발 - 시스템효율, 신뢰성및경제성향상을위한산. 학. 연협동연구및선진기술의 benchmarking 사업단에서주도하여실시 - 수송용 PEMFC와의스택, 개질기및 BOP 공통기술공유에의한기술개발가속화추진 - SOFC는자동차용보조전원등으로개발기술확대적용

가정용 PEMFC 투자경제성분석 기본가정 시스템효율 : 80% ( 발전효율 : 40%) 설치보조금 : 30% 우선구매제도 : 320 원 /kwh 추가유지보수비용 : 없음 시스템수명 : 10 년 전제조건 가구당전기사용량 : 3,600kWh/ 년 (48 만원 / 년 ) 가스사용량 : 720Nm 3 / 년 (33 만원 / 년 ) 운전시간 : 24 시간 / 일 연료비 (LNG): 315.4 원 /Nm 3 매출액 : 전력판매액 시스템가격에따른경제성평가 단위 : 만원 시스템가격 ( 만원 /kw) CASE 1 CASE 2 CASE 3 설치보조금 + 우선구매우선구매만지원제도무 이익 / 년회수기간이익 / 년회수기간이익 / 년회수기간 3,000 235 8.9 235 불가 32 불가 1,000 235 3.1 235 4.3 32 불가 500 235 1.5 235 2.1 32 불가 300 235 0.9 235 1.3 32 9.5 200 235 0.6 235 0.8 32 6.2

휴대용연료전지의종류 연료전지형태 사용연료 장점장점 단점단점 직접메탄올연료전지 메탄올 사용편리 연 료공급용이 저성능, 가격전해질막, 촉매성능 고분자전해질연료전지 (PEMFC) 연료개질기 ( 메탄올, 휘발유 ) 화학적수소화물 (NaBH 4 ) 연료공급용이 연료공급용이 고온 CO 제거문제 반응조절난 메탄올 NaBH 4 H 2 부탄, 프로판 H 2 generator Fuel Cell

휴대용연료전지연구추진현황 기업체 정부 연구기관 한국 삼성종기원 엘지화학, 전자 산자부 KIST KIER SK, 협진 과기부 대학 04 06 08 10 12 일본 기업체 NEC Toshiba, Sony 정부 METI 연구기관 AIST JHFC 연구개발 프로토타입 Hitachi, Casio NEDO 대학 상업화제품다양화 기업체 정부 연구기관 미국 MTI Motorola DOE LANL, JPL PNNL Polyfuel DARPA Universities

휴대용연료전지개발현황 기업예상상품상용화연도시제품 Manhattan Scientifics Chargers for cellular phones 2003 PolyFuel Mechanical Technology Inc. Toshiba Motorola Smart Fuel Cell Casio Powers for cell phones, portable PC 2005 Cellular phones with fuel cells 2004 Note books and mobile electronics Chargers/next-generation cell phones with fuel cells Portable powers for consumer electronics and mobile electronics Portable powers for consumer and mobile electronics 2005 2004-2006 2003 2005 삼성종기원휴대폰용연료전지시스템 2005

휴대용연료전지개발사업계획 04 06 08 10 12 목표 50W 급 Prototype 개발 실증및상용화 제품다양화 04 06 08 10 12 기술개발 기반기술 촉매, 전해질막개발 -BOP 개발 기초공정최적화 상용 Prototype 개발 패키징기술 - 신뢰성및장수명화기술 - 가격저감기술 상용화및다양한응용분야개발 - 대량생산기술 - 생산설비구축 - 제품다양화기술 사업운영 기업체컨소시엄구성및경쟁유도 - 구성재료기술국산화 전략적제휴검토 (MTI, DMFCC) - BOP 기술 outsourcing 사업단 실무위원회 주관기관 활용기업 기업 출연연 대학

수소인프라시범사업국외현황 미국 SCAQMD 시범사업일본 JHFC 사업 EU CUTE, ECTOS 사업 H 2, Fuel Cells & Infrastructure 기술개발사업및 Freedom Car & Fuel 사업연계 캘리포니아남부에 20 여개 승용차및버스운행지원 대부분전기분해수소제조, 액화수소저장방식, NG 및바이오매스개질, 광촉매등적용예정 시카고, 미시간, 네바다아리조나, 펜실바니아등으로확장 이전 WE-NET 사업 (2002 종료 ) 연계도쿄및요코하마지역중심총 10 개수소충전시설구축 연료전지차량 34 대운행 나프타, 가솔린, LPG, NG 등다양한연료의개질방식사용 6 개소 제철소부생가스, 액화수소, 전기분해사용충전소및이동식수소충전소각 1 개소 대체에너지의적용은아직구현되지않고있음 Framework(FP5) 프로그램연계 유럽주요 10 개도시 버스 30 대운행 대체에너지적용노력 전기분해 4 개소 NG 개질 3 개소 액화수소 2 개소

국내수소인프라관련개발현황및과제 현대자동차 - 350bar 수소충전소 2001년건립 - 이동식수소충전소 2003년도입실험 - 700bar 수소충전소 2004년건립예정 고효율수소에너지제조 저장 이용기술개발사업 ( 과기부프론티어사업, 2003- ) - 천연가스이용수소스테이션기술개발진행 - 전기분해, 광촉매, 열화학적, 생물학적수소제조기술개발수행 - 고압기체, 수소액화기술및금속및화학수소화물, 나노재료수소저장, 방출특성평가 - 수소센서, 안전, 위험관리에대한기초연구진행 향후과제 - 수소에너지기술개발및인프라구축을위한국가발전계획성안 - IPHE와연계수소기반에너지수급체계에대한국제공동연구수행 - 수소프론티어사업보완인프라구축상용화기술개발 - 수소연료전지자동차와연계인프라기술평가

활용방안 기술개발 ( 예상완성년도 ) 활용분야활용방안추가기술개발기술이전방안 250kW 급 MCFC 발전시스템개발 (2008) 분산형발전소대규모전소 발 End User 인한전및중공업회사 ( 예 : POSCO, 한중 ) 에의한실증및실용화 - 실증시험 - 정책연계보급 - 가격절감기술개발 (500 만원 /kw) - 수명향상및신뢰성향상연구 (40,000 시간 ) 중국, 동남아등에기술이전가능 1~5kW 급가정용 / 건물용연료전지개발 (2006) 가정용 / 상업용열병합발전보급 사업주관기관또는가스회사에의한실용화 - 실증시험 - 정책연계보급 - 가격절감기술개발 (200 만원 /kw) - 수명향상및신뢰성향상연구 (80,000 시간 ) 경쟁기술개발여하에따라기술이전가능 자동차용연료전지발전시스템개발 (2013) 연료전지자동차및버스, 수송용차량개발 사업주관기관에의한실용화 - 가격저감 (7 만원 /kw) 에의한보급확대 - 연료전지부품국산화 - 수소인프라구축 기술경쟁력확보여부에따라기술이전가능 휴대용소형연료전지개발 IT 제품및국방 항공 우주용동력원 기술개발및가격경쟁력여부에따라기존 2 차전지대체또는보완 - 가격저감 - 경박단소화 - 신뢰성확보 - 수소공급방법 (PEMFC 경우 ) 기술개발성숙도에의하여기술이전, 수출산업, 수입대체, 고용증대파급효과극대

수소 연료전지보급목표 ( 산자부 ) 구분 1 단계 ( 03-05) 기술개발및신뢰성확보 2 단계 ( 06-08) 실증적용 3 단계 ( 09-12) 시장진입및확대 수소스테이션 1 10 50 분산전원 건물용 ( 상업용 ) 누적 300 기 (250-1,000kW) 누적 2,000 기 (10-50kW) 가정용누적 10,000 기 (3kW 이하 ) 수송용 승용차 10 버스 - 승용차 1,000 버스 100 승용차 10,000 버스 5,000

사업단의운영범위 교육 / 홍보법규 / 규격화안전성시스템통합 운송 수소제조 연료전지 실증 / 보급 저장 연구개발 평가

수소연료전지분야기획 ( 안 ) 기획의범위 - 수소경제지향시나리오제시 ( 장기 ) - 연료전지기술보급목표달성을위한 TRM 및 action plan - R&D program 검토

결언 수소 연료전지 신산업 창출