연료전지 현황 과 미래 고형진 권동혁 권혁진 권기현 강태민 이종민

목 차 1.연료전지란? 2.왜 연료전지인가? 3.연료전지의 미래

1.연료전지의 정의 연료전지는 수소와 산소를 화학적으로 반응시켜 생산 발전 형 전지 전기분해의 역 반응 이용 전기분해: 물을 전기 분해하면 양극에서는 수소와 음극에서는 산소를 따로 구할 수 있다.

1.1 연료전지의 정의 수소와 산소가 가지고 있는 화학 에너지를 전기화학반응에 의하여 직접 전기 에너지로 변환시키는 고효율의 무공해 발전장치로서 공기 극(cathode)에는 산소가, 연료 극(anode)에는 수소가 공급되어 물의 전기분해 역 반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기, 열, 물이 발생함

1.1 연료전지의 특징과 기대효과 특징 (1) 고효율 : Carnot Cycle의 제한을 받지 않음 (효율 > 40%). (2) 무공해 : NOx와 SOx를 배출하지 않음. (3) 무소음 : Moving Parts가 없음. (4) 모듈화 : 건설과 증설이 용이하고 다양한 용량이 가능. (5) 다연료 : 수소, 석탄가스, 천연가스, 매립지가스, 메탄올, 휘발유의 사용이 가능. (6) 열병합(고온연료전지의 경우) : 폐열 활용이 가능 기대효과 (1) 고분자전해질 연료전지 및 이를 이용한 무공해 연료전지 자종차 개발을 통해 원천기술을 확보하고 관련기술을 산업체에 이전함으로서 산업경쟁력 강화에 기여. (2) 선진국에서 무공해 자동차의 사용이 곧 의무화될 것이 예상됨에 따라 기술자립을 통해 자동차 수출증대에 이바지. (3) 고효율, 무공해 연료전지 자동차의 개발로 환경오염 방지 및 수송용 에너지 절약에 기여. (4) 고분자전해질 연료전지는 자동차용 동력원외에 발전용 (분산용 발전, 가정용 전원) 이나 이동용 (정보통신 장비용), 군수용 (잠수함 동력원) 등으로 활용 가능

1.1연료전지 정의 연료극에서 수소가 수소이온과 전자로 분해된다. ↓ 수소이온은 전해질을 거쳐 공기극으로 이동한다. 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생한다. 공기극에서 수소이온과 전자, 그리고 산소가 결합하여 물이된다

1.1수소의 추출 방법 포함물질(형태) 추출방법 특징 화석연료 (탄화수소) 수증기 등 (Steam reforming) 가장 보편적인 방법 (전체수소생산의 90%차지) 바이오 매스 (메탄 CH4등) 열 분해 가스화 생물 쓰레기가 많은 농촌지역 적합 물 전기분해 전체 상업용 수소생산의 4%정도 순도가 높지만 생산단가가 높음

1.3 연료전지 프로세스 전력공급 순수 물의 전기분해 수소 연료 전지 열,전기 에너지 연료 천연가스 바이오메스 에탄올 연료 풍력발전 태양력발전 지열발전 수력발전 원자력등 물의 전기분해 순수 수소 연료 전지 열,전기 에너지 연료 천연가스 바이오메스 에탄올 메탄올 가솔린 등 연료 개질 장치

1.2 전지의 분류 전지는 화학전지와 물리전지로 구분된다 화학전지는 다시 1,2차,연료전지로 나뉜다. 1차 전지는 건전지로서 충전불가 2차 전지는 충전 가능 하다 대표적 예)자동차 납 축전지 연료전지는 충전이 필요 없고 연료만 계속 공급된다면 지속적으로 발전이 가능한 전지->일부에서는 연료전지가 발전기와 가깝기 때문에 Fuel Cell을 쓰자고 주장

1.3 연료전지 역사 1839년 W. Grove 연료전지를 발명 1965년 미국의 우주선 제미니5호에 탑재 1968년 아폴로 7호에 탑재 1997년 자동차업체들에 의한 연료전지자동차 실용화 선언 2001년 소니, NEC등 일본업체들 휴대용 연료 전지 개발계획 발표 2002년 도시바, 카시오 등 연료전지 탑재기기공개

1.4 연료전지 종류 PAFC MCFC SOFC PEMFC DMFC AFC 전해질 인산 탄산리튬/탄산칼륨 지르코니아 수소이온교환막 수산화칼륨 이온전도체 수소이온 탄산이온 산소이온 작동온도 (℃) 200 650 1000 < 100 연료 수소 메탄올 일산화탄소 연료원료 도시가스 LPG 메탄올, 메탄 석탄 휘발유, 수소 효율 (%) 40 45 30 출력범위 (kW) 100 - 5,000 1,000 - 10,000 1 - 1,000 1 - 100 주요용도 분산발전형 대규모발전 수송용동력원 휴대용전원 우주성용전원 개발단계 실증-실용화 시험-실증 우주선적용

1.2연료전지의 종류(MCFC) 통상 제 2 세대 연료전지로 불리는 용융탄산염 연료전지는 다른 형태의 연료전지와 함께 높은 열효율, 높은 환경친화성, 모듈화 특성 및 작은 설치공간으로 대표되는 장점을 공유하는 동시에, 650℃의 고온에서 운전되기 때문에 인산형 또는 고분자 연료전지와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 다음과 같은 추가 장점들을 갖고 있다. 즉, 고온에서의 빠른 전기화학반응은 전극재료를 백금 대신 저렴한 니켈의 사용을 가능케 하여 경제성에서 유리할 뿐만 아니라, 백금전극에 피독물질로 작용하는 일산화탄소마저도 수성가스 전환반응을 통하여 연료로 이용하는 니켈전극의 특성은 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 연료 선택성을 제공한다. 바이오매스 등 다양한 HRSG (Heat Recovery Steam Generator) 등을 이용한 bottoming cycle로 양질의 고온 폐열을 회수 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 약 60% 이상으로 제고시킬 수 있다. 용융탄산염 연료전지의 고온운전 특성은 연료전지 스택 내부에서 전기화학반응과 연료개질반응을 동시에 진행시키는 즉, 내부개질 형태의 채용이 가능하도록 하는 또 다른 장점을 제공한다. 내부개질형 용융탄산염 연료전지는 전기화학반응의 발열량을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하므로 외부개질형 용융탄산염 연료전지보다 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하는 동시에 시스템 구성이 간단해지는 특성을 갖는다.

1.3연료전지 (MCFC)기대효과 MCFC 발전시스템 개발은 소재, 화공, 기계, 전기, 전자, 화학, 엔지니어링 등 다분야가 망라된 복합기술개발이므로 개발 단계에서부터 광범위한 산업 연관성을 가짐.   현재 진행 중인 전력사업 구조조정과 맞물려서 단기 목표인 분산 배치형 발전시스템의 상용화가 본격적으로 이루어지면 국내 에너지 및 전력 사업의 근본 구조에 큰 영향을 미칠 것으로 예상됨. 특히 천연가스 및 전력 수급 체제의 계절별 부조화 현상 해결이 가능함. 현재 기술수입에 대한 의존도가 높은 중전기기 사업 분야의 기술 자립은 물론 기술 수출, 신규 사업에 따른 고용의 증가 등이 기대됨.

1.3연료전지종류(PEMFC) 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지는 메탄올이나 수소 등의 화학연료를 전기에너지로 직접 바꾸는 고효율, 무공해, 무소음의 미래형 발전기술의 일종으로서, 기존의 내연기관에 비해 1.5배 이상의 에너지변환 효율을 갖고 있을 뿐만 아니라 유독한 대기오염 물질을 전혀 배출하지 않는 장점을 갖고 있다. 특히 고분자전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서 100℃ 미만의 온도에서 작동되고 구조가 간단하며 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있는 동시에 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템이다.

1.3 연료전지의 종류(PEMFC)의 기대효과 무공해, 무소음의 저온형 발전장치로서 환경친화적 신예너지기술 도입    무공해자동차로의 응용을 통해 자동차 배기가스에 의한 대기오염 방지 국내 독자기술 확립에 의한 수입대체 및 수출증대 기존 발전방식이나 배터리 대체 응용분야 무공해 연료전지자동차 동력원    분산형 현지설치 발전용 (자가발전용) 전원    이동용 전원    AIP (Air-Independent Propulsion) 잠수함용 동력원   

1.3 연료전지의 종류(SOFC) 3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지는 산소 또는 수소 이온전도성을 띄는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써 1937년에 Bauer와 Preis에 의해 처음으로 작동되었다. 고체산화물 연료전지는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 - 1000 ℃)에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체로 이루어져있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없으며, 귀금속 촉매가 필요 없고 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다.

평판형 (Mono block layer built type) 1.3연료전지의 종류(SOFC) 발전현황 표 1. 국내외 SOFC 개발 현황 스택 제작 국가 스택 구조 작동 온도 개발 현황 기관 단위전지 형태 연결  재료 Siemens 미국 원통형 LaCrO3 1000℃ 100kW system Westinghouse (공기극 지지형) Ni felt 250kW FC/GT system Ztek 원반형 - 900～1000℃ 가압 25kW module Misubishi 중공업 일본 NiAl/Al2O3 900℃ 가압 10kW module (band cell 연결형) Chubu 전력 Misubishi 중공업 평판형 (Mono block layer built type) LaSrCoO3 5kW module 25kW 개발 예정

1.3연료전지의 종류(SOFC) 발전현황 표 1. 국내외 SOFC 개발 현황 스택 제작 국가 스택 구조 작동 온도 개발 현황 기관 단위전지 형태 연결  재료 Tonen 일본 평판형 LaSrCoO3 1000℃ 5kW system Sanyo Inconel 2kW module NTT LaCaCrO3 2-cell (6 cm2) stack (연료극 지지형) Siemens 독일 CrFeY2O3 850～950℃ 20kW system (multiple cell array) 1999 개발 중단 Donier LaCrO3 1997 개발 중단 쌍용 한국 80W stack (동시소결형) 1998 개발 중단

1.3 연료전지의 종류(SOFC)의 기대효과와 활용분야 무공해, 무소음의 환경친화적 신에너지 발전 기술 도입 경제 전반에 걸친 에너지 수급의 획기적인 변화 기존의 연료전지 중 가장 높은 전력 변환 효율 고온 작동으로 인하여 비싼 백금 촉매 불필요 수소 이외에 천연가스 및 석탄가스 등의 다양한 연료를 사용 가능 배출되는 양질의 폐열을 이용한 배열회수 및 복합발전이 가능 액체전해질을 사용하지 않으므로 재료의 부식 문제 및 전해질 손실, 보충 문제가 없음    활용분야 1～5 kW급 주거용 발전- 5kW급 내외 자동차용 보조 전원 (auxiliary power unit)- 5kW급 내외 특수 군사용 이동 전원- MW급 대형 발전 (석탄가스화 및 가스터빈)  

1.3 연료전지의 종류(MCFC) 마이크로 연료전지 (micro fuel cell)의 작동원리 직접메탄올 연료전지(DMFC)는 연료전지는 그림1에 도시된 바와 같이, 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양쪽에 각각 애노드와 캐소드가 위치한다.  애노드에서는 메탄올과 물이 반응하여 수소이온과 전자를 생성한다.  생성된 수소이온은 전해질 막을 통해 캐소드 쪽으로 이동하고, 캐소드에서는 수소이온과 전자가 산소와 결합하여 물을 생성시킨다.  이때, 전자는 외부회로를 통과하게 된다. 실제 사용시에는 출력을 높이기 위해 이러한 단위전지를 여러 개 묶어서 스택을 만들어 사용하는데, 일반적인 연료전지의 스택에서는 bipolar plate를 사용하지만, 마이크로 연료전지에서는 monopolar plate를 사용하게 된다

1.3연료전지의 종류 (MCFC)의 대체기능 현재 PDA나 휴대폰 , PalmTop PC 등과 같은 휴대용 전자 기기에는 리튬이온 배터리가 주로 사용되고 있다.  그러나, 휴대폰의 경우 통화시간이 160분(표준형 배터리의 경우)에 불과하고, 재충전(recharge) 속도가 느리기 때문에 (90% 충전에 30-60분 소요) 사용하는데 불편한 점이 많다.  또한, 리튬이온 배터리는 무겁고, 비싸며, 폐기시 공해를 유발하는 문제점이 있다.  이에 비해, 마이크로 연료전지는 에너지밀도가 배터리에 비해 3배정도 크며, 폭발 위험성이 전혀 없고, 폐기시 공해를 발생시키지 않으며, 카트리지 형태의 메탄올 저장용기를 교환하므로써(refuel) 거의 무제한으로 사용이 가능하다.   따라서, 연료통만 지니고 다니면 얼마든지 오랫동안 연료전지의 사용이 가능하므로, “1회 충전시 가능한 통화시간”이란 말이 전혀 무의미하게 된다.

1.3연료전지의 종류 (MCFC)의 기대효과와 활용분야 배터리 대체용 고성능  휴대 전원 개발로 무선이동통신기기 기능 향상 연료전지 관련 재료 및 구성요소 제조 부분의 산업 활성화 및 고용창출 휴대전원의 개념변화에 따른 새로운 전기, 전자 제품 개발 촉진 화석연료 대체에 따른 국가경제 기여     활용분야 휴대전화, 노트북 등의 휴대용 전자기기 동력원 휴대용 발전기 등의 이동전원 소형 자동차용 전원 AIPS (Air-Independent Propulsion System) 잠수함용 동력원

1.3연료전지의 종류(개질기) 연료전지는 연료가 갖고 있는 화학적 에너지를 전기에너지로 전환하는 발전 장치로 기존의 내연기관에 비해 효율이 뛰어나며 공해물질의 배출도 거의 없다. 이러한 장점 때문에 연료전지를 자동차에 이용하려는 연구가 꾸준히 진행되어 왔으며 최근 들어 이온 전도율이 높은 고분자의 개발과 백금의 함유량이 작은 전극의 개발로 고분자전해질 연료전지(PEMFC)가 실용화에 근접함으로써 연료전지 자동차에 대한 관심은 폭발적으로 증대되었다. 따라서 연료전지 자동차를 상용화하려는 연구는 전세계의 자동차 제조업체를 중심으로 매우 활발히 진행되고 있다

1.3연료전지의 종류(개질기) 기대효과와 활용분야 자동차용 연료전지에 필요한 고효율 수소 제조장치에 대하여 국내 자체 기술을 확보함으로써 앞으로 해외 시장이 요구하는 막대한 양의 초저공해 차량 제작에 있어서 핵심 기술을 국산화시킬 수 있으며, 이에 따라 자동차 기술 자립에 기여 소형 연료 개질기는 자동차뿐만 아니라 가정용 및 이동 전원용 연료전지 시스템에도 기술을 적용할 수 있으므로, 보다 compact한 가정용 및 휴대용 연료전지 시스템 개발을 가속화 가솔린, 디젤 등 화석 연료의 수소 변환을 위한 소형 개질기의 개발에 따라 고성능 촉매 기, 고효율 반응기 설계 기술 및 미세 반응 시스템에 대한 엔지니어링 기술이 축적되어 화학 반응 공학 분야의 전반적 발달에 기여 활용분야 무공해 연료전지자동차용 연료 프로세서 가정용 연료전지의 연료 프로세서 -휴대용 연료전지 시스템의 연료 프로세서  

2.왜 연료전지인가? 에너지원은 시대에 따라서 변화 동력원: 인력->동물의 근력->풍력,수력-->석탄->석유 산업 혁명이후 화석 연료 사용급증

2.왜 연료전지인가? 2.1.1에너지원 변천이 특징 주 에너지 변천의 가속화 기술개발에 따른 에너지원의 다양화 에너지원이 변화할 때는 새로운 에너지에 대한 반발도 있었음 에너지원 고갈이 에너지원 변천의 직접적인 원인은 아니었음

2.왜 연료전지인가? 2.1.1에너지원 변천이 특징 인류 에너지원의 변천의 메가트렌드는 에너지원의 소프트화 고급화 에너지원의 소프트화:풍력, 수력 등 자연에너지를 제외한 인류에너지원의 형태는고체->액체->기체 로 변화 에너지원의 고급화: 석탄,석유 등은 주로 탄소,수소로 구성되었는데, 인류에너지원은 수소대비 탄소비율이 감소하는 방향으로 진행

2.왜 연료전지인가? 2.1.1에너지원 변천이 특징 에너지 변천은 새로운 에너지변환장치의 개발을 촉진 석탄에너지와 더불어 증기기관 발명 석유발견과 활용은 내연기관의 시대를 개막 내연기관 석유에너지의 핵심이듯 수소에너지체계의 핵심은 연료전지

2.왜 연료전지인가? 2.2 석유시대의 종말 석유 고갈에 따른 에너지 위기론 반복 하지만 오히려 체굴량 증가 지금까지의 석유위기론은 지정학적 요인에 의한 증거 향후 석유위기는 값싼 석유고갈에의해서 전망

2.왜 연료전지인가? 2.3에너지 수요는 급증 향후 석유감소가 예상되는 반면 전세계 에너지 수요는 산업발전 인구증가 등으로 계속 증가할 전망 전체 에너지 소비에서 수송용 에너지가 차지하는 비중이 증가추세 IT산업의 에너지사용도 증가추세

2.왜 연료전지인가? 2.4 대체에너지원의 한계 화석연료 의존도를 낮추기 위해서 다양한 대체 연료 개발중 그러나 대체에너지가 석유에너지를 완전히 대체하기는 어려움 대체에너지원의 단점을 극복할 수 있는 것은 수소에너지 뿐

2.왜 연료전지인가? 2.4 환경문제 화석연료로 인해 온실가스 배출문제가 글로벌 이슈로 대두 이산화 탄소 대기 중 축적으로 인해 지구온난화 심각 지구 환경문제가 심각하면서 국제적 환경규제 강화

3.연료전지의 미래 3.1주요국의 대응(미국) 1960년대 우주 및 군사용으로 연구를 시작하여 이후 점차 상업화 미국 정부는 에너지 대외의존완화와 자동차산업경쟁력 측면에서 연료전지 육성정책 추진 민간과 파트너쉽으로 상업화 극복 18개주 이상의 주에서도 주정부 차원에서연료전지 프로젝트 추진

3.연료전지의 미래 3.1주요국의 대응(일본) 1980년대부터 연료전지 개발 및 상용화를 정부차원에서 지원 정부가 지속적으로 연료전지에 비전과 의지 표명 연료전지 및 관련산업 경쟁력 초점 현재는 연료전지 확산 시나리오상 연구 및 기술데모로 일본 전역을 연료전지 시험 무대화 함

3.연료전지의 미래 3.1주요국의 대응(유럽) EU전체의 연료전지 연구비 총액은 미국 일본에 뒤지나 연료전지 관심 확대중 유럽위원회는 연료전지 개발에 관심이 있으나 주로 자동차 집중 개별국가 차원의 연료전지 투자는 2000년 기준으로 미국, 일본의 국가적 지원보다 크지 않음

3.연료전지의 미래 3.2 관련업계 동향(소재산업) 전해질막, 전극촉매 등의 소재는 연료전지의 성능개선과 가격하락에 직접적인 영향을 주는 분야 전통 소재업체, 연료전지전문 기업은 물론 기기업체들도 소재개발가세

3.연료전지의 미래 3.2 관련업계 동향(자동차산업) 대기오염 규제 등으로 환경기술을 생존문제로 인식하면서 90년대 중반 개발본격화 자동차 업체간 제휴는 물론 연료전지 제조업체 및 연료공급업체와의 제휴도 활발 연료형태는 자동차업체의 개발방향이 다름

3.연료전지의 미래 3.2 관련업계 동향(전자산업) 휴대기기 전력소모가 증가하면서 휴대용기기에 대한 전력 공급이 이슈화 일본업체들 중심으로 연료전지 개발가속화

3.연료전지의 미래 3.2 관련업계 동향(에너지산업) 석유업계: 연료전지자동차 보급 초기에는가솔린 개질형 연료가 주가 될 것이라 예상 가스업계: 거치용 연료 보급을 통해 가정의 주요에너지원을 전기에서 가스로 전환목표를 가지고 있음 전력업계: 연료전지를 통한분산형 발전모델의 대한 연구 본격화

3.연료전지의 미래 3.3국내동향 3.3.1에너지 소비의 증가 국내 총에너지 소비는 경제규모보다 빠른 증가율 기록 중장기적으로 성장잠재력 회복과 개인소득의 증가로 에너지 수요는 지속적으로 증가할 전망

3.연료전지의 미래 3.3국내동향 3.3.2에너지 수급의 취약성 우리나라는 에너지 소비는 세계10위 석유소비 세계6위의 대국 대부분의 에너지 수입에 의존

3.연료전지의 미래 3.3국내동향 3.3.3 수소및 연료전지 연구는 초보단계 수입의존도가 높아 어느나라도 대체에너지 개발이 필수 그럼에도 불구하고 연료전지개발은 아직 초보단계 현대자동차는 2002년 연료전지 제작업체인UTC Fuel cell사와 전략적 제휴 후 연료전지차 개발중 3~4년 전부터 삼성종합기술원, LG화학,세티 등이 휴대용 연료전지 연구 전력연구원이 개질시스템, 가정용 고분자형 연료전지 등의 기술 개발 중

3.연료전지의 미래 3.4 시장전망 용도별 시장전개가 달라질 것으로 전망 휴대용 거치용(주택/산업용) 등 자동차용 등 용도별로 시장동인 보급촉진요인 및 인프라 의존이 상이 시장보급은 휴대용->거치용->자동차용순 휴대용의 경우 안정성, 소형성, 가격만 만족한다면 시장이 급속히 확대될 것으로 전망 거치용은 최근 일본을 중심으로 실용화 단계 자동차용은 기술개발이 먼저 되었으나 안정성, 인프라 미성숙으로 시장형성 늦어질 것으로 전망 급속한 가격인하 할 것으로 전망

3.연료전지의 미래 3.5연료전지 이슈와 극복과제 연료전지 보급의 장애 극복 안정성 확립도 중요한 과제 연료시스템의 저가화 연료전지의 고효율화 연료가격의 인하 안정성 확립도 중요한 과제

3.연료전지의 미래 3.5연료전지 이슈와 극복과제 정부의 역할 중요 연료전지 도입에 대한 국가적 비젼 제시 연료전지 개발은 긴 시간이 소요되므로 정부의 지속적 지원 필요 정부의 R&D 예산확대, 표준화 및 규제정비,인센티브 제공,시범사업 프로젝트 추진, 정부구매의 확대, 연료인프라 확충