신재생 에너지 (Renewable Energy) 제7장 연료전지(Fuel Cell)

작동원리 수소와 산소의 화학반응 : 화학에너지 → 전기에너지로 변환 생성물 : 전기 & 순수(물), 발전효율 30~40% + 열효율 40% → 70~80%의 효율 이온전도성이 좋은 전해질 (electrolyte)을 사이에 두고 2개의 다공성 전극으로 구성 고체산화물 연료전지의 전기화학 반응 - 연료극에서 수소가 전자를 내어놓고 전해질을 통해 이동해온 산소이온과 만나 물과 열을 생성 - 연료극에서 생성된 전자는 외부회로를 통해 직류전류를 만들면서 공기극으로 이동 - 공기극에서 산소와 만나 산소이온이 되고 생성된 이온은 전해질을 통해 연료 극으로 이동 200 ℃ 이하에서 작동하는 저온 연료전지 - 수소이온이 공기극 쪽으로 이동하여 공기극에서 물을 생성시키는 반응을 일으키나 기본적인 전극 반응은 동일하다.

- + Anode Cathode heat water hydrogen (from fuel) oxygen (air) Electrolyte - + 2H 2e O 2 1 H Anode Cathode heat water hydrogen (from fuel) oxygen (air) 연료전극에 공급된 수소 : 2H+ + 2e-로 분리 2H+ : 전해질 통해 공기전극으로 이동 전자 : 외부회로 통해 공기전극으로 이동 공기전극 : 산소이온 + 수소이온 → 반응생성물(물) 생성 수소 & 산소 결합 → 전기/물/열 생성 - 수소분자 + 백금 촉매 → 수소원자 → 전자 → 수소이온 - 수소이온 → 전해질 통해 산소전극으로 이동 - 산소분자 + 백금촉매 → 산소원자 - 두 전극의 전자 → 회로 → 전기발생 - 수소이온과 산소원자 : 회로로 들어온 전자와 결합 → 물분자 음극 : H2 → 2H++2e- 양극 : ½ O2 + 2H+ + 2e- →H2O 전반응 : H2 + ½ O2 →H2O

전기생성과정 : 이산화탄소 배출 없음 발생된 열 : 에너지로 이용 → 에너지 이용률 높음 생성물이 물이기 때문에 환경오염이 적음, 지구온난화를 유발하는 온실가스 양을 감소 광화학 스모그와 건강문제를 야기하는 공해물질을 배출하지 않음 연소방식의 기술보다 더 효율적이며, 전기를 얻기 위하여 연료로 수소를 사용 : 수소 → 국내 개발 가능한 에너지원 원유 의존성 감소 → 국가에너지 위기를 개선할 수 있는 잠재력 화력발전 : 화학에너지 → 열에너지 → 기계적에너지 → 전기에너지 연료전지 : 화학에너지 → 전기에너지 + 열에너지 수소의 연소성 : 안전성 문제 산소와 수소의 반응 : 화석연료 사용(순수 수소 얻기 위해 수소화합물이용) : 화석연료분해 사용 : 물 → 수소 추출 연구 진행 중

Derivation of Ideal Fuel Cell Voltage 화학작용에 관한 Thermodynamic Function – Gibbs Free Energy H2 + 1/2O2  H2O, 최대유용전압 : 반응전후의 에너지 차 1기압, 25 C 수소/산소 연료전지 G = H -TS = -285,800 J/mol – (298 K) (-163.2 J/mol K) = -237,200 J/mol E = - G/nF = -(-237,200 J/2 x 96,487 J/V) = 1.23 V 1기압, 80 C (연료전지 작동온도) 수소/산소 연료전지 G = H -TS = -285,800 J/mol – (353 K) (-163.2 J/mol K) = -228,200 J/mol E = - G/nF = -(-228,200 J/2 x 96,487 J/V) = 1.18 V 순수한 산소  공기, 건조한 가스  습한 공기와 수소 수소/공기 연료전지의 최대 전압 : 1.16 V @80 C , 1기압 (주) G : Gibbs free energy change for the reaction n : H2의 mol당 반응 시 관련된 전자의 mol 수 F : Faraday’s constant 96,487 coulombs (Joules/Volt) H : Enthalpy, S : Entropy, T : 반응온도

Efficiency, Power, Energy of Ideal Fuel Cell 연료전지의 에너지 변환 : 전지전압/이론적 최대전압의 비 연료의 화학에너지 = 전기에너지 + 열에너지 if, 전류 0[A], 온도 80 C (연료전지 작동온도), 1기압 → 1.16V 0.7 V : 전력 = 최대유용에너지 x 60% 0.9 V : 전력 = 최대유용에너지 x 77.5% → 40%/or 22.5% → 열로 변환 P = VI[W] = E/t, where P : 전력, V : 단자전압, I : 전류, E : 에너지 비동력(specific power) = 생성 동력/전지무게 동력밀도 = 생성동력/전지부피 → 비동력&동력밀도 ↑ → 가격감소 : 수송용에 중요

연료전지 작동 시 생성되는 열 100 cm2의 연료전지가 다음과 같은 조건 하에서 작동하고 있다. - 작동압력 1 atm, 온도 80 C , 전압 0.7 V, 전류밀도 0.6 A/cm2, 전체전류 60 A 이 연료전지에서 발생하는 과잉 열은, Power due to heat = Total power generated – Electrical power P heat = P total – P electrical = (V ideal x I cell) – (V cell x I cell) = (V ideal – V cell ) x I cell = (1.16 V – 0.7 V) x 60 A = 0.46 V x 60 coulombs/sec. x 60 seconds/min. = 1,650 J/min 위의 연료전지는 작동 시, 2.5 kJ/min의 전기에너지를, 1.7 kJ/min 의 과잉 열을 생성한다

연료전지와 물 수소연료전지와 내연기관의 차량 : 같은 양의 물 방출 1gallon의 주행거리 산출 가솔린 내연기관 : 25mpg(miles per gallon), 1gallon = 3.785 liter - 가솔린 1gallon = CH2 연료 2.7kg CH2 + 3/2O2 → CO2 + H2O 2.7kg + 9.3kg → 8.5kg + 3.5kg 3.5kg(H2O) /2.5miles = 0.14kg (H2O)/mile 수소연료전지차량 : 60mpgge(Miles per gallon gasoline equivalent) - 가솔린 등가 수소 1gallon = H2 1kg *에너지 함유량 : H2 + 1/2O2 → H2O 수소 1gge = 가솔린 1gallon 1.0kg + 8.0kg → 9.0kg 연료전지 에너지효율 2.4배 9.0kg(H2O) /60miles = 0.15kg (H2O)/mile

농염전지(지르코니아) 순수 지르코늄 : 1,000oC 이상 에서 98%의 체적 변화 (성형→소결→가열→냉각→가루) 산화 지르코늄(ZrO2) : 융점 2,700oC, 내식성 우수 순수 지르코늄 : 1,000oC 이상 에서 98%의 체적 변화 (성형→소결→가열→냉각→가루) ZrO2 + CaO(10~15%, 카루시아) : 1,600oC에서 열처리 → 안정화 지르코늄 if, 15mole%의 CaO → Ca0.15Zr0.85O1.85 → 금속 : 산소이온 = 1:1.85 → 산소이온 0.15 부족, 격자결함 : 산소이온 도전성 발생 다른 크기의 산소 분압 인가 → O2 : immovable(O2 는 O2- 의 2배 크기, O2- : 0.5O2+2e) → O2- : 고압 → 저압 이동  고압(+), 저압(-)의 기전력 발생 R : 기체정수, T : 절대온도, F : Faraday constant, P1, P2 : 고압 및 저압 if, 산소분압 10배, 1,000K → 49.8[mV]

내연기관 vs. 연료전지 (Fuel Cell) vs. 밧데리 내연기관, 밧데리, 연료전지 : 에너지를 한 형태에서 다른 형태로 변환하는 장치 연료전지와 밧데리 : 전기화학 장치 Chemical Energy  Electrical Energy  Mechanical Energy (if Automobile) Chemical Energy  Thermal Energy  Mechanical Energy  Electrical Energy (if Power Plant)

그림 7.1 현대자동차가 개발한 연료전지 자동차 산타페와 투싼 그림 7.2 Ballard Power System 사의 연료전지 모듈 그림 7.4 1839년 William Robert Grove에 의해 제작된 연료전지 그림 7.3 연료전지의 발명자 William Robert Grove

현대자동차 투싼 iX(2010) - 핵심부품 모듈화/국산화 → 차세대 수소연료전지차 기술력 확보 기존 투싼 수소연료전지차 대비 연비 15%, 주행거리 55% 개선 1회 충전 최대 650km 주행, 동일 가솔린 차량에 비해 우세 100kW급 연료전지/2탱크 수소 저장시스템(700기압) 탑재 영하 25도 이하의 저온 시동성 확보, 연비 31km/L 수소탱크 700기압(수소저장량 5.6kg), 350기압(3.5kg) 최고속도 160km/h, 160km/h 가솔린 등가 연비 31km/h, 27km/h 최대주행거리 650km, 370km

연료전지 부품과 기능 연료개질장치(reformer) : 수소를 함유한 탄화수소계 연료 (LPG, LNG, 메탄, 석탄화가스, 메탄올 등)로부터 연료전지가 필요로 하는 수소가 농후한 가스로 변환 연료전지 본체(fuel cell stack) : 연료개질장치를 통과하여 유입하는 수소와 공기 중의 산소가 반응하여 직류전기와 물, 부산물인 열을 발생 전력변환장치(inverter) : 연료전지에서 나오는 직류를 교류로 변환 열 회수시스템(heat recovery system) : 연료전지 본체에서 나오는 폐열을 회수하여 연료개질장치를 예열하거나 열병합발전 시스템에 열을 공급 그림 7.6 연료전지 시스템의 주요 부품

연료 대부분의 연료전지 시스템은 순수한 수소가스를 연료로 사용하며 압축가스상태로 차량에 탑재되어 저장 수소가스는 에너지 밀도가 낮기 때문에 가솔린과 같은 기존 연료에 상당하는 출력을 생성하기 위하여 수소를 충분히 저장하기 어렵다. 수소가 농후한 연료 : 메탄올, 에탄올, 천연가스, 가솔린, 석탄화가스(탄화수소) - 차량에 탑재된 개질기 (reformer)를 통과시켜, 연료로부터 수소를 추출하여 사용 차량에 탑재된 개질기를 사용할 때 장점 - 순수한 수소가스 보다 높은 에너지 밀도를 갖는 메탄올, 천연가스, 가솔린 등의 연료 사용이 가능 - 현재의 인프라를 사용하여 기존의 연료공급 시스템을 사용할 수 있음 (예로, 차량용 액체가스 펌프와 고정용 천연가스 공급관)

수소가 농후한 연료를 개질할 때 단점 - 차량탑재 개질기는 연료전지 시스템에 복잡성, 비용, 유지․보수의 필요를 증가시킴 - 개질기가 일산화탄소를 허용하여 연료전지의 양극판에 도달하면, 셀의 성능이 점점 저하됨 - 개질기가 일반적인 연소과정 보다는 작은 양의 온실가스인 이산화탄소와 공해물질을 생성 고온 연료전지 시스템은 차량탑재 개질기가 필요하지 않아서, 내부 개질이라 불리는 연료전지 그 자체 내에서 연료를 개질할 수 있다 => 차량탑재 개질과 같이 이산화탄소를 배출하며, 가스화 연료의 불순물은 셀의 효율을 저하

(a) 연료전지 부품 (b) 양 끝판과 전지 본체 (c) 연료전지 모듈 그림 7.7 연료전지와 연료전지 본체

연료전지 종류 전해질, 화학작용의 종류, 촉매의 종류, 작동온도 등에 따라 분류 ex. 저온형 연료전지 200oC 미만, 고온형 600oC이상 전해질 종류 – 고분자전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane FC) - 인산형 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell)

표 7.1 이온화 전해질에 따른 연료전지의 종류 연료전지 전해질 시스템출력 발전효율 (%) 열병합발전효율(%) 작동온도 (℃) 적용 장점 단점 고분자전해질 또는 양성자 교환박막형 (PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane or Proton Exchange Membrane) 고분자 이온 교환막 1~250 kW 이하 53~58 (수송용) 25~35 (정치형) 70~90 (저질폐열) 50~100 비상발전용 휴대용전원 소형 분산발전 수송용(자동차) -고체 전해질이 부식과 전해질 관리문제 저감 -저온 -빠른 시동 -고가의 촉매 필요 -연료 불순도에 따른 높은 민감성 알카라인형 AFC (Alkaline) 수산화칼륨의 수용액 10~100 kW 60 80 이상 90~100 군사용 우주용 -고성능 -다양한 촉매 사용가능 -고가의 CO2 제거장치 필요 인산형 PAFC (Phosphoric Acid) 액체인산 50 kW~1 MW (250 kW 모듈) 40 이상 85 이상 150~200 분산발전 -전기와 열병합발전 시 고효율 -연료로 불순정 H2 무방 -백금 촉매 -저전류/저전력 -대형/대 중량 용융탄산염 MCFC (Molten Carbonate) (리튬, 나트륨, 탄산칼륨의 수용액) 1 kW~1MW 이하 45~47 600~ 700 대형 분산발전 전력계통 사업용 -고효율 -연료 유연성 -열병합발전에 적절 -전지부품의 부식과 파손 증가 고체산화물 SOFC (Solid Oxide) 고체전해질 (지르코늄) 1 kW~3 MW 50 90 이하 1000 보조전원 -하이브리드/GT 사이클

고분자전해질 (Polymer Electrolyte Membrane) 연료전지: PEMFC 양성자교환박막형 (proton exchange membrane) 연료전지라고 도 부름 전해질 : 고체 고분자와 백금촉매를 함유하는 다공성 탄소전극 높은 전력밀도, 저중량, 작은 체적 빠른 시동성과 낮은 방향 민감도, 적합한 동력 대비 중량비 → 자동차나 버스와 같은 승용차에 적당 1.2 kW Ballard사 PEM 연료전지 스택 고분자전해박막형 연료전지

인산형 (Phosphoric Acid) 연료전지 : PAFC 전해질로 액체 인산을 사용, 이 산은 테프론이 결합된 실리콘 탄화물 모체와 백금 촉매를 포함하는 다공성 탄소 전극 내에 존재 가장 성숙한 전지 형태 중의 하나로 최초로 상업용에 적용되었으며, 현재 300기 이상이 미국과 전 세계에서 사용 중 일반적으로 정치형 동력원에 사용되지만, 일부 인산형 연료전지는 도시형 버스와 같은 대형차량의 동력원으로 사용 인산형 연료전지는 고분자전해질 연료전지 보다 개질 시에 불순물에 대한 저항력이 더 크다. 전기와 열을 함께 사용하는 열병합발전 시 85% 효율을, 전기를 단독으로 생산 시는 낮은 37~42% 효율

그림 7.11 전기자동차의 충전소로 운영되는 25 kW 인산형 연료전지 그림 7.10 인산형 연료전지의 작동원리

직접 메탄올 (Direct Methanol) 연료전지 : DMFC 일반적 연료전지 : 수소 및 수소가 농후한 연료(에탄올, 메탄올, 탄화수소) 사용 DMFC - 연료전극 : CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e- - 공기전극 : 3/2 O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O 전 반응 : CH3OH + 3/2 O2 → CO2 + 2H2O 전기화학적으로 메탄올과 산소를 전기, 열, 이산화탄소, 물로 변환 수소 대신 액체연료로 발전(cordless가능) 수소 압력용기/가스유량제어장치 불필요 → 구조 간단, 초소형 발전장치 메탄올의 전극반응 복잡, 반응속도(메탄올 분자의 반응속도) 느림 → 촉매의 영향(ex. Pt → Pt-Ru) 연구 중 메탄올 크로스오버 : 미 반응 메탄올 → 전해질막 투과 → 반응에 장애(산소와 직접반응) → 물과 이산화탄소 : 발전에 기여 못함, 연료 낭비의 결과 초래 if, 고전류 : 메탄올 농도 ↑ → 투과도 증가 → 얇고 투과도 감소 가능한 전해질 막 연구

에너지밀도 : 수소 < 메탄올 < 가솔린 < 디젤연료 => 크고 무거운 수소 저장장치와 개질장치가 필요하지 않음 메탄올(액체) → 현재의 인프라로 수송과 공급이 원활 그림 7.14 Yamaha Motor 사의 연료전지 스쿠터 FC-me

그림 7.13 직접 메탄올 연료전지 스택의 구성품

알카라인형 (Alkaline) 연료전지 최초로 개발된 연료전지 기술 중의 하나로, 우주선에서 전기와 물을 생산하기 위하여 미국 우주 프로그램에 널리 사용 전해질 : 수산화칼륨 수용액을 사용 양극과 음극에서 촉매로 다양한 값싼 금속을 사용할 수 있음 전지에서 발생하는 화학작용의 속도로 인하여 성능이 좋으며, 효율이 높아 우주에서 적용 시 약 60% 정도 단점 : 이산화탄소에 의해 쉽게 오염 연료전지 중에 제작단가가 가장 싸다. 그림 7.16 세계 최초의 연료전지 선박인 HYDRA 그림 7.15 알카라인형 연료전지의 작동원리

용융탄산염 (Molten Carbonate) 연료전지 전기발전용, 산업용, 군수용에 사용되는 천연가스, 석탄화력발전소를 목표로 현재 개발 중 인산형이나 고분자전해질 연료전지 보다 고온에서 작동하도록 설계 => 연료 대 전기 효율과 전체 에너지 사용 효율이 높다. 전해질은 리튬-포타슘(Li-Ka) 탄산염으로 구성되며, 약 650 ℃까지 가열 => 염분은 다공성 극판 사이에 이온이라 불리는 전하입자를 전도할 수 있는 용융상태로 됨 고온에서 작동하기 때문에, 연료가 내부 개질이라 불리는 과정에 의해 연료전지 자체 내에서 수소로 변환되어 전체적 시스템의 가격을 감소 고온에서 작동함으로 부식성의 전해질은 부품의 파손과 부식을 가속화하여 전지 수명을 감소시킴

그림 7.18 일본의 Kirin 양조공장에 공급된 FuellCell Energy사의 용융탄산염 연료전지인 250 kW급 DFC 3000 그림 7.17 용융탄산염형 연료전지의 작동원리 그림 7.19 폐수 소화가스로 작동 중인 1 MW급 용융탄산염 연료전지 발전소

고체산화물 (Solid Oxide) 연료전지 단단하며 비 다공성 요업 혼합물(고체)을 전해질로 사용 연료전지 가운데 가장 효율이 높고 공해가 적음 기하학적인 모양에 따라 원통형, 평판형, 일체형 등으로 구분 부식문제, 고가의 촉매, 전해질 제어, 외부 개질기 도입 등의 단점 없음 고온에서 작동되기 때문에 구성요소의 대부분이 세라믹 및 내열성 금속으로 구성 그림 7.21 단전지식 원통형 고체산화물 연료전지 그림 7.20 고체산화물형 연료전지의 작동원리

그림 7.22 고체산화물형 연료전지 모듈 그림 7.23 천연가스로 작동하는 3 kW급 연료전지 실증 시스템 및 시험장치 시설

재생형 (Regenerative) 연료전지 현재 utility에 적용하기 위하여 개발 중에 있음 다른 연료전지와 같이 수소와 산소 또는 공기를 사용하여 전기, 물, 폐열을 생산 전기를 사용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 연료전지 반응의 역으로도 작용 전해질로 알려진 재생형 연료전지의 역 모드에서, 전기가 전지의 전극판에 인가되어 물을 해리시키는 전기분해를 일으킴 그림 7.25 햇빛 에너지원을 사용하여 동력을 생산하는 재생형 연료전지 그림 7.24 재생형 연료전지의 전기화학 반응

그림 7.26 재생형 연료전지의 동력을 이용하는 무인 태양비행기

연료전지 자동차의 연료 개발 방향

자동차 연료로의 생산 및 사용 대안

종합에너지 (Well to Tank) 효율 연료효율(%) 주행효율(%) 종합효율(%) 가솔린 내연기관 85 23 20 Hybrid (Future) 36 31 수소 연료전지차 (천연가스전 현지 개질) 53-56 50 28 63 메탄올 연료전지차 (천연가스전 현지 메탄올 제조) 61 39 24 가솔린 연료전지차 88 34

Fuel Cell Hybrid Electric Vehicle (FC-HEV) Hybrid Electric Vehicle Team of Virginia Tech (HEVT) PEM (Proton Exchange Membrane) Fuel Cell as APU (Auxiliary Power Unit) of Series Hybrid Base Model : 1998 Chevrolet Lumina Sedan Advancer Powertrain : - AC induction drivertrain, regenerative braking, compressed hydrogen fuel storage, advanced lead-acid battery pack for peak power load leveling

FC-HEV의 System Schematic

Ford Motor Company Prototypes Ballard/DaimlerChrysler/Ford 공동 개발 Ballard’s latest fuel-cell module (Mark 900) Methanol reformer : methanol  pure hydrogen DC from fuel-cell  전기모터 구동 위한 AC로 변환 그림 7.28 Ford 자동차사의 연료전지 차량인 Focus FCV

표 7.2 Ford의 수소연료전지자동차인 Focus FCV 차량의 제원 차량전체 platform 2000 model Ford Focus 차체형상 (bodystyle) 4도어 세단 전장 (overall length) 4338 mm 전폭 (overall width) 1758 mm 휠 베이스 (wheelbase) 2615 mm 공차중량 (curb weight) 1725 kg 연료 (fuel) 압축수소 (compressed hydrogen) 연료압력 (fuel pressure) 3600 psi 최대속도 (maximum speed) 128 km/h 주행거리 (driving range) 160 km 배기가스 (emissions) ZEV (zero emission vehicle) 동력유닛 - 연료전지 종류 양성자교환박막 (Proton Exchange Membrane) 스택 (stacks) Ballard Mark 900 series 반응물 (reactants) 수소/공기 전기모터/ 트랜스액슬 전기모터 (electric motor) 교류 인덕션 (AC induction) 트랜스액슬 (transaxle) 단일속도 (single speed) 형상 전륜구동 최대출력 (peak power) 67 kW (90 hp) 최대토크 (peak torque) 190 N․m 최대효율 (peak efficiency) 91 % 견인변환모듈 (traction inverter module) 3상 브릿지 (3-Phase Bridge) 최대전류 200 A 최소/최대전압 250 V/420 V 상시전압 (nominal voltage) 315 V

P2000 수소 연료전지 자동차 Direct hydrogen-fueled electric vehicle Ford’s Mondeo-based P2000 (five passengers) Direct hydrogen-fueled electric vehicle Weight : 1520 kg (3,350 lb) Ballard’s Fuel-cell engine : 100 KW (134 hp) - 가속시간 : 14 초 (0-62 mph : 100 km/h) - stacks : 400 total cells 170 kg (380 lb) - 최대 작동온도/압력 : 85 C, 210 kPa 연료 : 압축수소 연비* : 60 mpg city, 79 mpg highway, 65.2 mpg combined 주행거리 : 160 km (100 mi) * Gasoline-equivalent fuel economy

P2000, Zero-Emission Vehicle by Direct Hydrogen Polymer Electrolyte Fuel Cell

그림 7.29 대형버스에 사용하는 UTC (United Technologies Company) 연료전지 그림 7.30 NASA Space Shuttle Orbiter에 사용한 12 kW 연료전지 그림 7.31 미 해군의 Lockheed Deep Quest 잠수함에 설치되었던 30 kW 연료전지 시스템

그림 7.32 Sunline Transit Authority에 의해 운영되는 ThunderPower 연료전지 하이브리드 버스 그림 7.33 Toyota Highlander SUV의 platform을 기본으로 하는 수소 연료전지 차량 RAV 4 EV (Methanol Fuel)

Honda’s FCX V3 Hydrogen Fuel Cell Car 그림 7.35 Honda FCX V3의 ultracapacitor와 결합된 연료전지 그림 7.34 Honda FCX V3 수소 연료전지차 표 7.3 2006 Honda FCX concept car의 제원 차종 4인승 세단 엔진 Ultracapacitor를 직렬로 연결한 고분자전해질 연료전지 최대출력 100 kW 가속시간 10초 (0 → 60 mph) 주유시간 5분 주행거리 350 mile, 최고속도 100 mph (160 km/h) 탱크용량 수소 5 kg (171 L) @ 350 기압 (수소흡수 재료 사용) 중량 3,528 파운드 (내연기관의 동급차량 중량 : 2,400 파운드)

Fuel gauge Hydrogen-refueling infrastructure

GM/Opel’s Fuel Cell Car Class Five-seater based on Zafira compact van Powertrain PEM fuel cell (hydrogen fuel) 200 individual fuel cells : 125-200 V Size : 590(L) x 270(W) x 500(H) 출력 : 55 kW (75 hp) – 60 kW (82 hp) 연료탱크 (실린더형) 길이 : 1 m, 직경 : 0.4 m, 부피 : 75 L 부피 : 75 L => 5 kg의 액체수소연료 무게 @ -253 C 유리섬유 재질의 연료탱크 단열재 로 저온유지 가능 가속시간 16 초 (0-100 km/h) 최대속도 140 km/h Range 400 km 공차중량 1575 kg Opel Zafira by General Motors

Mazda’s Fuel Cell Demio (Hydrogen Fuel) Nissan’s Methanol Fuel Cell / Battery Hybrid Vehicle

DaimlerChrysler’s NECAR Project

Ballard Power System의 Automobile Project Phase Phase Name Characteristics Remark Schematics 1 Proof of Concept Mercedes-Benz 190 Van Power : 50 KW 12 fuel cell stacks Power density : 167 W/L, 수소연료 1세대 수소 연료전지 차 - 1994년 완료 2 Hydrogen Prototype Mercedes-Benz V-Class MPV 2 Compact high performance fuel cell stacks Power density : 1000 W/L, 수소연료 연료전지 시스템 개량 - 1996년 완료 3 Methanol Mercedes-Benz A-Class Power density : 1000 W/L, 메탄올연료 1세대 메탄올 1997년 초기출시 4 Car/Fleet Demo Small passenger Vehicle 메탄올 & 수소 연료 Pre-Commercial 연료전지 시스템 5 Commercial Production 다양한 차량 platforms Power : 50 – 100+ KW 최적화된

그림 7.36 Mercedes-Benz의 A class인 NECAR 5 바닥에 위치한 수소 개질기 그림 7.37 NECAR 5은 연료로 메탄올 (또는 수소)를 사용

그림 7.40 실험실 주행 수준인 NECAR 1 그림 7.41 완전히 사용 가능한 NECAR 2 그림 7.44 세계에서 가장 최신 연료전지 차량인 NECAR5 그림 7.42 메탄올로 주행하는 NECAR 3 그림 7.43 소형이며 출력이 강한 NECAR 4

그림 7.45 NECAR 4 의 구조

Ballard’s Mark 900 Fuel Cell Power Module General Number of stacks for 75 kW (100 hp) 1 Continuous maximum power (methanol reformate) 75 kW Continuous maximum power (hrdrogen) 80 kW Size/ Mass : Power Module* Mass 90 kg Length x Width x Height 820 x 250 x 375 (mm) Volume 77 L Power Density Reformate 0.97 kW/L Hydrogen 1.04 kW/L Coolant Fluid Ethylene glycol/water Normal operating temperature 70-85 C Environmental Minimum storage temperature - 40 C Fuel Composition Methanol steam reformate Yes Hydrogen suitable Hydrogen purity Commercial grade Standard Operating Conditions Fuel/Air inlet pressure (nominal) 1800 kPa g Fuel /Air inlet pressure range 300-2000 kPa g * Mark 900 - Ford TH!NK FC5 * Mark 700 - DaimlerChrysler NECAR4 - Ford P2000 - Honda FCXV1 - Nissan FCEV * Power module includes manifolding, air humidification, and sensor

Ballard Power System의 Bus Project Phase Phase Name Characteristics Remark Schematics 1 Proof of Concept 93 kW (125 HP) fuel cell engine 주행거리 : 100 miles/160 km 20인승 1993년 완성 PEM 연료전지에 의한 세계최초의 ZEV 2 Commercial Prototype 205 kW (275 HP) fuel cell engine 주행거리 : 250 miles/400 km 60인승 1995년 완성 3 Demonstration Fleet 진행중 (Chicago Transit Authority, BC Transit) 4 Production 주행거리 : 350 miles/560 km 75인승 2002년

Several prototype Fuel Cell buses are being demonstrated, including six in the public transport systems of Chicago & Vancouver. This is one of the buses in service in Chicago. CTA have said that on successful completion of the fleet trial they will consider converting their fleet of 2,000 buses to fuel cell power. They are so far pleased with the buses’ performance. In just under 18 months they have travelled over 31,000 km, been in service 3,000 hours, and have provided over 55,000 fare paying rides.

Bus – Prototype Engine Electrical System Control System Cooling System Electric Traction Drive Fuel cell array Air Delivery Fuel Delivery

그림 7.47 First National Bank of Omaha의 주 동력원으로 사용되는 UTC 연료전지회사의 200 kW급 연료전지 발전소 4기 그림 7.48 UTC 연료전지 회사에서 개발 중인 5 kW급 연료전지 발전장치 그림 7.50 Ballard 사의 휴대용 전원용도의 연료전지 그림 7.49 Alaska 주 Anchorage 시의 우체국 분류 시설에 전원을 공급하는 연료전지 발전소

가스터빈/연료전지 하이브리드 시스템 기존의 고온형 연료전지 발전시스템의 고효율화를 목적으로 고안 고온형 연료전지 발전시스템에는 연료전지 스택에서의 전기화학반응에 필요한 공기(산소)의 공급을 위하여 일반적으로 송풍기가 사용됨 또한 연료전지 스택은 공급되는 연료의 약 80∼85% 정도만이 반응하도록 설계되기 때문에 반응하지 않은 연료의 연소를 위하여 연료전지 스택 후방의 연소기, 연소된 고온가스와 스택으로 공급되는 공기의 열교환을 위한 복열기 (recuperator)등을 필요함 이러한 고온형 연료전지 발전시스템을 가스터빈으로 대체하여 하이브리드화함 (그림 7.51 b)

가스터빈의 압축기를 통과한 가압된 공기를 연료전지 스택으로 공급할 수 있어 스택자체의 효율이 높아짐 장점 가스터빈의 압축기를 통과한 가압된 공기를 연료전지 스택으로 공급할 수 있어 스택자체의 효율이 높아짐 연료전지 출구의 고온 (600∼1000 ℃) 반응가스는 터빈을 구동함에 따라 터빈과 한 축으로 연결된 압축기를 구동하고, 시동 시를 제외한 운전 중에 공기공급을 위한 별도의 전력사용이 필요없음 압축기를 구동 후 여분의 터빈동력으로 추가전력을 생산하여 결과적으로 전체시스템의 발전효율이 증가함 그림 7.51 (a) 고온형 연료전지 발전시스템과 (b) 가압형 하이브리드 발전시스템의 개략도

용융탄산염 연료전지의 작동온도는 650 ℃의 영역으로 하단 (bottoming) 모드에서 작동되는 것이 더 적당함 고체산화물 연료전지는 작동온도가 1000 ℃로 상단 (topping) 모드에서 효과적으로 작동 그림 7.52 기본적인 고체산화물 연료전지와 용융탄산염 연료전지/가스터빈 하이브리드 시스템 형상 (a) 상단모드 (b) 하단모드

표 7.7 용융탄산염 연료전지 하이브리드 시스템과 고체산화물 연료전지 하이브리드 시스템의 기술 특성 (MCFC) 하이브리드 고체산화물 연료전지 (SOFC) 하이브리드 작동온도(℃) 600-650 800-1,000 전기효율(% LHV) 65-75 % 연료전지1)에 관한 동력사이클 하단 (bottoming) 상단 (topping) 황의 허용치 1 ppm 이하 (황과 악취를 제거하기 위한 천연가스의 정화를 내포) 50 ppm 이하 (파이프라인 천연가스 수용 가능. 다른 연료는 정제가 필요함) 상용화 현재 생산품 개발은 연료전지 시스템 만 중점을 둠 20122) 기타 문제들 - 하단 사이클의 저압은 낮은 연료전지 동력밀도를 의미 - 저온은 더 복잡한 열처리 시스템을 의미 - 상단 사이클은 더 복잡한 제어 시스템을 요구함 주) 하단 사이클은 연료전지가 사이클의 가장 낮은 온도에 위치한 (가스터빈의 하류) 반면에, 상단 사이클은 연료전지가 사이클의 가장 높은 온도에 위치 (가스터빈 연소실) 2) 예상된 Simense의 MW급 고체산화물/가스터빈 하이브리드 시스템

그림 7.53 연료전지/가스터빈 하이브리드 시스템의 효율

그림 7.54 하이브리드 고체산화물형 연료전지-마이크로터빈 플랜트 (220 kW급) 그림 7.55 고체산화물형 연료전지/가스터빈 하이브리드 사이클 구성도 그림 7.56 220 kW급 고체산화물형 연료전지-가스터빈 복합발전 시스템

그림 7.57 Siemens의 원통형 고체산화물형 연료전지 기술 그림 7.58 (a) 상압형 하이브리드 발전시스템 (b) 가압형 하이브리드 발전시스템

연료전지 & 태양전지 에너지 변환장치 연료전지의 특성 곡선 및 효율 연료전지의 직렬 및 병렬연결 태양전지의 명암 특성 곡선 Solar module 출력 : 1.6 W 최대전류 : 1.2 A 최대전압 : 2.05 V Electrolyser High-performance PEM electrolyser 출력 : 7 W 최대전류 : 4 A 최대전압 : 2 V Fuel cell PEM double fuel cell (수소와 산소) 출력 :2.5 W 최대전류(병렬연결) : 4 A 최대전압(직렬연결) : 1.9 V Load module Motor, lamp Measuring instrument 전류와 전압 측정 연료전지의 특성 곡선 및 효율 연료전지의 직렬 및 병렬연결 태양전지의 명암 특성 곡선

연료전지 실용화를 위한 과제 ex.) 자동차 내연기관(25~35$/kW) → 30$/kW 요망 가격 – 사용 환경 고려한 재료 및 반응을 위한 촉매, 내구성, 수명시간, 연료공급 ex.) 자동차 내연기관(25~35$/kW) → 30$/kW 요망 탄화수소 연료를 수소로 변환하는 가공 시스템의 향상 - 연료개질기 (on-board system) : 액체연료-메탄올, 가솔린 등 연료 공급 Infra 구축 : 생산 – 공급 – 저장 – 안전 연료효율 개선을 위한 연료전지 시스템 부품들의 크기 및 중량 감소 연료전지의 빠른 시동 및 급속한 변화에 대한 응답성 향상 극한 조건에 견딜 수 있는 내구성 및 신뢰도의 증가 : 자동차 엔진의 경우 40~80oC 영역 : 5,000시간(150,000miles)

가격 – 사용 환경 고려한 재료 및 반응을 위한 촉매, 내구성, 수명시간, 연료공급 ex.) 자동차 내연기관(25~35$/kW) → 30$/kW 요망 내구성/신뢰성 – 자동차 엔진의 경우 40~80oC 영역 : 5,000시간(150,000miles)