수소 연료전지 자동차 개요 충북대학교 공과대학 기계공학부 조 해 용

목 차 1. 개 요 2. 수소 연료전지 작동 원리 3. 수소 연료전지 자동차 구조 4. 개발 동향 - 1 -

1. 개 요 수소를 연료로 하는 FCEV 개발 필요 1) 자동차 개발 환경 환 경 문 제 에 너 지 문 제 규제 평균 연비 1. 개 요 1) 자동차 개발 환경 환 경 문 제 · 선진국의 배기가스 규제 (EURO-6, SULEV, ZEV 등) → 새로운 수송에너지원 요구 · CO2 총량 규제 → 고효율 동력원 필요 에 너 지 문 제 · 한정된 석유 매장량 · 개발도상국의 급격한 산업화 → 석유고갈, 원유수급 불균형 규제 평균 연비 CO2 배출량 한국 17.0km/ℓ (2015) 140g/km (2015) 미국 15.1km/ℓ (2016) 23.2km/ℓ (2025) - EU 125g/km (2015) 95g/km (2020) 70g/km (2025) · 대체연료 및 재생 가능한 에너지원 요구 → 수소에너지 (풍부한 자원, 청정) 수소를 연료로 하는 FCEV 개발 필요

1. 개 요 2) 수소 연료전지 (Fuel Cell) 자동차 1. 개 요 2) 수소 연료전지 (Fuel Cell) 자동차 연료인 수소와 공기 중의 산소를 화학반응 시켜 전기를 만들고 이 전기로 전기모터를 이용하여 차량을 구동시키는 자동차 연료 : 수소 가스 동력원 : 연료전지에서 생성된 전기 구동 : 기존 엔진 대신 전기모터 사용 배기 : 수증기 (무공해) 구 분 기술 중요도 (%) 가격 비율 (%) 연료전지 65 60 수소탱크 12 4 모터/제어기 8 6 차량 15 30

1. 개 요 3) 연료전지 특성 연료전지의 장점 - 고효율 : 발전 효율 40% 이상 가능 - 무공해 : NOx 및 SOx 를 배출하지 않음 - 무소음 - 모듈화 : 건설과 증설이 용이하고, 다양한 용량 구현 가능 - 다연료 : 수소, 석탄가스, 천연가스, 매립지 가스, 바이오 가스, 메탄올 등 연료전지의 문제점 - 경제성 (화석연료 대비) - 기술 신뢰성 및 내구성 - 인프라 구축 필요 연료전지 종류 - 용융탄산염 연료전지 (MCFC) - 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC) - 직접 메탄올 연료전지 (DMFC) - 고체 산화물 연료저지 (SOFC)

2. 수소 연료전지 작동원리 1) 연료전지 정의 : 연료 (수소)를 연소 과정 없이 전기로 직접 바꾸어 주는 전기화학 장치 HYDROGEN OXYGEN HEAT ELECTRICITY FUEL CELL ANODE CATHODE ELECTROLYTE

2. 수소 연료전지 작동원리 2) 작동원리 Anode : H2 → 2H + + 2e- Cathode : 1/2O2 + 2H+ +2e- → H2O Overall : H2 +1/2O2 → H2O + 전류 + 열 DIFFUSION LAYER CATALYST ELECTROLYTE POLYMER e- H+ - H + + H - O O2 H2 Oxygen Molecules Electrical Load Water molecules forming Catalyst/Electrode Proton exchange membrane electrolyte Hydrogen Electrons from Hydrogen

Li/K alkali carbonates mixture 2. 수소 연료전지 작동원리 3) 연료전지 종류 종류/특징 고온형 저온형 용융탄산염 (MCFC) 고체산화물 (SOFC) 인산염 (PAFC) 알카라인 (AFC) 고분자전해질(PEMFC) 직접 메탄올 (DMFC) 작동온도 550~700℃ 600~1000℃ 150~250℃ 50~120℃ 50~100℃ 주 촉매 Perovskites 니 켈 백 금 전해질 상태 Li/K alkali carbonates mixture YSZ GDC H3PO4 KOH Ion exchange membrane 전해질 지지체 Immobilized liquid Solid - 전하전달이온 CO32- O2- H+ OH- 가능한 연료 H2, CO H2 메탄올 외부개질기 No Yes 효 율 50~60 40~45 40 이상 주요 용도 대규모발전 대규모발전 이동체전원 중소규모 바이오가스 우주발사체 수송/가정 /휴대용 휴대용 특 징 고효율/열병합 고효율/복합식 내구성 저온작동/고출력 밀도 단 점 재료 부식 고온 열화 촉매문제 저효율

2. 수소 연료전지 작동원리 4) 혼다 FCX 클래러티

3. 수소 연료전지 자동차 구조 1) 샤시 시스템

3. 수소 연료전지 자동차 구조 2) 주요 부품 - 연료전지 스택 - 연료전지 운전 장치 (BOP: Balance Of Plant) : 공기 / 수소 공급계, 열 및 물 관리계 - 수소 저장 시스템 : 고압 / 액화 저장 시스템 - 전력동력시스템과 보조전원시스템

3. 수소 연료전지 자동차 구조 3) 연료전지 스택 구 분 기술 중요도 (%) 가격 비율 (%) 연료전지 65 60 수소탱크 구 분 기술 중요도 (%) 가격 비율 (%) 연료전지 65 60 수소탱크 12 4 모터/제어기 8 6 차량 15 30

4. 개발 동향 (완성차) 1) 차량 개발 - 도요타 자동차와 독일 BMW 수소연료전지자동차 등 차세대 기술 공동 개발에 합의 (2013/1/24) - 르노-닛산은 독일 Daimler와 미국 Ford 자동차와 수소연료전지자동차를 공동으로 개발해 2017년 까지 양산 예정 - HKMC 2015년까지 총 1,000대의 차량을 국내외 공공기관에 공급, 2015년 이후 일반 소비자용으로 판매 예정 구 분 Honda Toyota Daimler HKMC GM Nissan Volkswagen 차량 Clarity FCHV-adv B-Class F-Cell(2009) Mohave Equinox X-trail(2008) Tiquan Hymotion Platform Underfloor N/A 모터 출력 100kW 90kW 110kW 94kW FC 출력 115kW 93kW 80kW 보조 전원 Li-ion NiMH (21kW) Hybrid Super capacitor NiMH Li-ion (22kW) 최고 속도 160kph 155kph 140kph 주행 거리 430~570km 760~830km 385~400km 685km 250~320km 500km > 260km 수소 저장 3.92kg @350bar 6.3kg @700bar 4kg 7.9kg 4.2kg 5kg 3.2kg 중량 1,635kg 1,880kg 2,385kg 2,010kg 1,870kg

4. 개발 동향 (완성차) 2) 기아 Mohave 연료전지차 - FC 출력 : 115kW, 최대속도 : 160kph, 주행거리 : 685km - 연료전지 효율 : 62%, 연비 : 23km/ℓ , 국산화율 : 95%

4. 개발 동향 (완성차) 2) 기아 Mohave 연료전지차

4. 개발 동향 (연료전지 스택) 1) 개발 목표 - 분리판 : 대부분 흑연판을 기계 가공하여 제작 중이나, 가공비가 높아 발라드 社는 흑연 성형 분리판을, 혼다는 금속 성형 분리판을 개발 중 - 전극막 : 90% 이상 불소계 전해질막 사용 중. 저가의 탄화 수소계 전해질막이 개발 중이며, 촉매기술은 백금 사용량 저감 및 대체제 개발 진행 중 저온 시동성능 개선을 위한 설계기술 개발 중 구 분 목표 (2015년) 기술 내용 비 고 내구성 DOE 5,000시간 (버스 2만 시간) 시동/정지 시 촉매 열화 문제 해결 멤브레인 박막화 → 저가습 운전 2hr/일X250일/년 X10년 냉시동성 디젤엔진과 동등 저온상태에서 생성된 물 처리 현재 영하 25℃ 냉시동 가능 저 가격화 DOE 30$/kW 백금촉매 대체 맴브레인 박막화 흑연 분리판 → 금속 분리판 ※ 내구성과 냉시동성 목표는 거의 달성

Defected graphane (CH)n Dispersed carbon catalysts 4. 개발 동향 (연료전지 스택) 2) 대체 소재 Nanodiamond Hybrid Defected graphane (CH)n Porous nanotube Nano-(meso-porous) Dispersed carbon catalysts Metal nanoparticles 구 분 100kW 가 격 분리판 1,000장 Graphite (2000년) 5억원 (50만원/장) 금속 (2015년) 5십만원 (500원/장) 촉매 70~90g 백금 (현재) 1억/kg 그래핀 (개발) 1만원/kg [대체 촉매] ※ 2015년 수소 연료전지차의 상용화 목표 5천만원

4. 개발 동향 (수소 저장) 1) 저장방식 수소저장 방법의 선택은 연료용기의 저장형태, 충전시간, 경제성, 인프라 구축 이외에 간접적 요인으로 에너지 효율, 자동차 연료의 경제성, 성능, 활용성 등을 고려해서 이루어져야 한다. V=171ℓ M=4kg V=27.1ℓ M=4kg V=34.3ℓ M=4kg V=56.6ℓ M=4kg 저장방식 Mg2NiH4 La2Ni5H6 H2(Liquid) H2(350기압) 고체수소 저장 방법

4. 개발 동향 (수소 저장) 2) 기체 저장방식 Quantum 저장 시스템 (700기압) 고압 수소기체 저장방식은 물리적인 압력차로 수소를 충전하고 방전하게 되므로 다른 수소 저장방식에 비해 저장방법이 간단하고 응답성도 빨라 연료전지 자동차에 적용하기 용이하다. 과제로는 실린더 형으로부터 벗어나 형상의 자유화를 가능하게 하는 설계 및 고압화와 경량화 이다. 고압용기 종류 Type I: 강 또는 알루미늄 재질 Type II: Type I + 탄소섬유 강화 (원주 or 길이방향) Type III: Type II + 탄소섬유 강화 (길이 or 원주방향) Type IV: Type III에서 강 또는 알루미늄을 비금속 재료로 대체 Quantum 저장 시스템 (700기압) Quantum TriShield (Type IV)

4. 개발 동향 (수소 저장) 2) 기체 저장방식 HKMC Mohave ◈ 국외 미국 Quantum사 Type IV 700기압급 수소용 복합용기 개발 (2002년) ▶ 수소저장량: 7.9kg@700bar HKMC Mohave

4. 개발 동향 (수소 저장) 2) 기체 저장방식 이노컴 수소저장 탱크 KCR 수소저장 탱크 ◈ 국내 함께 정부의 지원을 받아 진행하고 있으나 판매실적이나 판매망을 구축하고 있는 회사는 아직 없는 것으로 조사됐다. (실증 및 상용화를 위한 시험평가 기술과 인증 기술에 대한 기반 미흡) - 이노컴: 350기압 Type Ⅲ 70ℓ급 국산화 완료 (미 교통국 인증 획득, 2005) - KCR : 350기압 Type Ⅳ, 70ℓ급 국산화 완료 (미국, 독일에 이어 세계 3번째) → 알루미늄 라이너 개발 중 - 로템 : 시스템 마운팅 어세이 - 현대자동차, 하이록 코리아 : 튜브, 핏팅류, 밸브류 국산화 진행 중 - 대흥정공 : 외장형 레귤레이터 - 모토닉 : 솔레노이드 밸브 및 레귤레이터 이노컴 수소저장 탱크 KCR 수소저장 탱크

4. 개발 동향 (수소 저장) 3) 액체 저장 방식 Linde 액체 수소 저장 시스템 VCS 개념도 수소의 비등점은 대기압 하에서 약 -253℃이므로, 액체 수소의 저장용기는 매우 우수한 단열이 필요함. 대표적인 단열 방법으로 진공단열, 다층단열재, 증기냉각 복사 실드 (VCS , Vapor Cooled Radiation Shield)의 세 가지 방법이 사용되고 있다. 과제로는 장기간 증발을 방지할 수 있는 기술 (ZBO, Zero Boil Off)을 개발하는 데 있다. 에너지 손실 냉각 시: 수소가 가지고 있는 에너지의 약 43% 보관 시: 2~3%/일 증발 공급 시: 10~20% 증발 Linde 액체 수소 저장 시스템 VCS 개념도

4. 개발 동향 (수소 저장) 3) 액체 저장 방식 BMW LH2 저장 탱크 ㈜엔케이 액체 수소저장용기 특허 ◈ 국외 ◈ 국내 액체 수소의 저장 기술 및 관련 극 저온 연구는 전무한 실정임 ㈜엔케이에서 저장용기에 관한 특허 출원 (2007. 3) BMW LH2 저장 탱크 ㈜엔케이 액체 수소저장용기 특허

4. 개발 동향 (수소 저장) 4) 수소 저장 합금 Toyota 수소저장 탱크 개념도 금속수소화물 수소와 반응하여 수소를 수소 화합물의 형태로 대량으로 흡수하는 합금이다. 온도나 압력을 바꾸면 수소의 흡수와 방출을 가역적으로 되풀이 할 수 있다. 수소가스의 압력이 평형 압력 보다 높으면 흡수되고, 이보다 낮으면 방출된다. 수소를 흡장 시간을 단축시키기 위해 수소 공급압력을 높이면 내압용기 사용에 따른 중량이 증가하고, 수소를 방출하고자 할 때 가열이 필요하므로 탱크 가열 시스템에 따른 체적이 증가한다. 수소원자 금속원자 사면체 빈 공간 육면체 빈 공간 Toyota 수소저장 탱크 개념도 금속수소화물

4. 개발 동향 (수소 저장) 4) 수소 저장 합금 Mazda MH 수소저장 탱크 JSW 수소 저장 시스템 ◈ 국외 - 수소저장합금의 MH 자동차는 1975년부터 미국의 Billings사 및 독일의 Benz사에 의해 제작되기 시작 - 미국 Ovonic사 3kg 50ℓ MH 수소저장 탱크 개발 ◈ 국내 현대자동차 수소저장합금을 이용한 자동차 개발 성공 (1998년, 실용화 연구 중) Mazda MH 수소저장 탱크 JSW 수소 저장 시스템 Mazda 연료전지 자동차 개념도

4. 개발 동향 (수소 저장) 4) 수소 저장 합금 나노튜브 SEM 이미지 나노튜브 격자형상 탄소나노튜브를 이용해 수소를 저장할 경우 나노튜브의 직경에 따라 수십 wt% 이상의 수소 를 저장하는 것으로 보고되고 있으며, 다른 수소저장 방법에 비해 안전하고 가벼우며 저장 비용이 낮은 장점이 있다. 그러나 실제 수소 저장 능력과 재현성이 의심을 받고 있다. 나노튜브 SEM 이미지 나노튜브 격자형상

#별첨. FCEV 산업화 로드맵

#별첨. 수소발생 시스템 모델 구 분 단 점 비 고 수증기 개질 친환경성 제조공정에서 온실가스 배출 2020년 까지 수소 경제 주도 물의 전기분해 경제성, 친환경성 값비싼 전기료 화력 발전으로 생성된 전기 사용 태양광, 풍력 등 자연에너지 사용이 이상적 원자력 공정 기술력 초고온 가스로 이용 수소대량 생산 가능 전세계적으로 연구개발 초기 단계 -

원자력-풍력-화력-수소 하이브리드 시스템 #별첨. 수소발생 시스템 모델 원자력-풍력-화력-수소 하이브리드 시스템

#별첨. 수소발생 시스템 모델 풍력- 수소 하이브리드 시스템

#별첨. 수소발생 시스템 모델 해양 심층수와 표층수의 온도 차이 및 태양광, 풍력, 파력 등을 이용해 전기를 생산하는 '에너지 섬'이 화석연료 사용을 대신할 수 있는 미래형 발전 대안으로 주목 받고 있습니다. 에너지 섬