연료전지 자동차 (Fuel Cell Vehicle)

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1 연료전지 자동차 (Fuel Cell Vehicle)
기계공학부 박혜영

2 차례 연료전지 자동차 개발 당위성 연료전지 자동차의 개념 연료전지 자동차 개발 동향 및 사례 (국내, 국외) 장점과 문제점
전망 및 결론

3 연료전지 자동차 개발 당위성 친환경적 에너지 필요 ‘고유가 시대’ - 에너지 고갈 문제 해결 요구
ZEV (Zero Emission Vehicle) – 캘리포니아 주의 무공해 차량 의무 판매 규정 Kyoto Protocol 이산화 탄소를 포함한 여섯 종류의 온실가스의 배출량을 감축 친환경 에너지를 이용한 자동차 개발 필요

4 연료전지 자동차 개발 당위성

5 연료전지자동차의 개념 연료전지 자동차 vs 내연기관 자동차 내연기관 자동차 연료전지 전기자동차

6 연료전지자동차의 개념 단위 무게당 에너지 밀도가 높다 높은 연료 효율 천연가스, 알코올, 수소 사용 가능 배출가스 無
전기모터 낮은 회전수 높은 회전 모멘트 바퀴구동에 이상적 연료전지 지속적인 전기에너지 공급 가능 기존 배터리 동력성능과 운행 범위 개선 단위 무게당 에너지 밀도가 높다 높은 연료 효율 천연가스, 알코올, 수소 사용 가능 배출가스 無 기계적인 구동 부분 없음 저소음& 저진동

7 연료전지 자동차의 기본 구성

8 자동차용 연료전지 시스템의 종류 IMFC(Indirect Methanol Fuel Cells) 메탄올을 연료로 개질기 사용
DMFC(direct Methanol Fuel Cells) 에노드에 매탄올을 직접 분사- 공간적인 유리함 Load Following 수소로 전환되어 반응에 참여하는 양이 상대적으로 적다 DHFC(direct Hydrogen Fuel Cells) 수소를 스택에 직접 분사 수소압력은 스택 입구에서 조절 수소저장 압력이 공기 공급 압력보다 높기 때문에 수소 공급계 부품들의 파손이나 오작동으로 인해 스택에 공급되는 수소의 압력이 공기 압보다 높게 공급되는 경우에 대한 대책

9 자동차용 연료전지 시스템의 구성 연료전지계 공기공급 및 배기계 연료계 물 관리 및 냉각계
DHFC의 BOP(Balance of Plant) 압축기와 터빈을 장착하고 각각 스택의 반응을 활성화시키고 에너지 효율을 높이기 위한 역할 연료전지계 공기공급 및 배기계 연료계 물 관리 및 냉각계

10 연료 전지계(PEMFC) FUEL CELL 크기가 작다 원하는 성능에 따른 연료전지 시스템 구성 가능
단위 전지면 출력 밀도가 큼 작동온도가 섭씨 80도로 적합  Phosphoric acid fuel cell (인산형 연료전지)  Molten Carbonate fuel cell   (용융 탄산염 연료전지)  Solid oxide fuel cell (고체산화물 연료전지) Alkarine fuel cell (알칼리성 전해액 연료전지) Polymer Electrolyte Fuel Cell (고분자 전해질형 연료전지)

11 연료 전지계(원리) stack 수소 원자 공급 전자 와 수소이온으로 분리 산소 이온과 함께 물 생성
전자 이동에 의해 전기에너지 공급

12 연료전지계 (특징) 특징 <고분자 연료전지 스택> 충전이 필요 없이 연속적인 전력 공급
프로톤 전도 - 교환막 내에 흡수된 물을 매개로 이루어짐 – 물의 관리가 필수적 반응 가스의 습도 유지는 최적 운전의 관건 빙점 이하에서 보관 및 운전이 어려움 개질기 사용시 촉매 피독 성분의 저감 고려 <고분자 연료전지 스택>

13 공기 공급 및 배기계 PEMFC 주변 장치

14 공기 공급 및 배기계 송풍기나 공기 압축기가 쓰임 연료전지 스택 최대 출력의 5~20퍼센트 사용
공기를 강제로 불어 넣어 주어야 함 송풍기나 공기 압축기가 쓰임 연료전지 스택 최대 출력의 5~20퍼센트 사용 1~3기압에서 작동 압력 조절 제어 시스템 필요 상압 근처에서 운전할수록 유리 공기 공급기를 작게 만드는 것이 필수 효율적인 필터, 공기 베어링 설계

15 공기 공급 및 배기계 <중형자동차용 공기 공급 장치>

16 연료계(수소저장 방법) 수소 저장법 여러 개의 작은 셀로 구성된 수소 연료 탱크 수소저장용 탱크를 탑재
Daimler Chrysler가 최초 적용 가장 작는 수소원자는 금속 용기 사이를 쉽게 빠져 나감 - 기체 상태의 저장 이 어려움 액화상태로 보관하려면 -253도로 유지- 단열성이 큰 용기로 밀봉시키는 기술요구 여러 개의 작은 셀로 구성된 수소 연료 탱크

17 연료계(수소저장 방법) 수소흡장 합금법 30~40 % 저장 가능 금속원자에 수소원자 보관 수소저장 밀도가 높고, 안전
Toyota 최초 개발 30~40 % 저장 가능 금속원자에 수소원자 보관 수소저장 밀도가 높고, 안전 수소저장 용량 및 수소와 반응 속도가 우수한 특성을 가진 수소 저장합금 개발

18 연료계(수소저장 방법) 연료 개질법 Delphi의 2세대 자동차용 연료개질기 모델 메탄올 개질법
250~300도 정도 가열 – 메탄올, 증기 사이의 촉매 이용 – 수소 추출 메탄올을 가열하여 증기는 얻음 (가동시간 필요) – 아침에는 이동 불가능 난기 시간을 줄이는데 주력 가솔린 개질법 메탄올 2배의 수소 획득가능 석유 고갈로 인해 과도기적 방법 Delphi의 2세대 자동차용 연료개질기 모델

19 연료계 개질기 장착 연구 활발 스택에 공기 와 연료를 많이 공급 배출되는 수소를 재사용하여야 해서 낭비를 막아야 함
수소저장 용량이 크게 제한됨 개질기 장착 연구 활발 스택에 공기 와 연료를 많이 공급 배출되는 수소를 재사용하여야 해서 낭비를 막아야 함 스택 입구로 재순환, 시스템 또는 차량에 필요한 열 공급 고압수소탱크 기술 고압수소탱크 안전 기술 필요 수소압력은 스택 입구에서 조절 수소저장 압력이 공기 공급 압력보다 높기 때문에 수소 공급계 부품들의 파손이나 오작동으로 인해 스택에 공급되는 수소의 압력이 공기 압보다 높게 공급되는 경우에 대한 대책

20 연료계 (수소탱크) 복합재료로 제작한 연료전지 자동차용 수소탱크 700기압 이상의 초고압 수소 저장 수분에 의한 부식방지
수소압력은 스택 입구에서 조절 수소저장 압력이 공기 공급 압력보다 높기 때문에 수소 공급계 부품들의 파손이나 오작동으로 인해 스택에 공급되는 수소의 압력이 공기 압보다 높게 공급되는 경우에 대한 대책 복합재료로 제작한 연료전지 자동차용 수소탱크 700기압 이상의 초고압 수소 저장 수분에 의한 부식방지 스파크로 인한 화재 및 폭발 방지

21 연료계 (압력 조절기) 수소 공급 압력 조절 필요 연료전지 자동차용 IN-TANK PRESSURE REGULATOR
수소압력은 스택 입구에서 조절 수소저장 압력이 공기 공급 압력보다 높기 때문에 수소 공급계 부품들의 파손이나 오작동으로 인해 스택에 공급되는 수소의 압력이 공기 압보다 높게 공급되는 경우에 대한 대책 높은 수소 저장압력 부품파손, 오작동 수소 공급 압력 조절 필요 스택 입구

22 물 관리 및 냉각계 물 관리 시스템 - 가습, 냉각 가습기 : 전도성 확보를 위해 반응가스의 습도 유지 필요
(프로톤 교환막이 건조하게 되어 전도성을 상실, 스택 수명 상실) 가습을 위해 수십 KW의 열량이 필요 기체와 물의 습도 차이에 의한 물의 자연 증발 이용 물과 반응 기체가 만나는 면적을 넓혀 주는 방법이 중요 수소보다 공기 가습이 더욱 쉽다 수소압력은 스택 입구에서 조절 수소저장 압력이 공기 공급 압력보다 높기 때문에 수소 공급계 부품들의 파손이나 오작동으로 인해 스택에 공급되는 수소의 압력이 공기 압보다 높게 공급되는 경우에 대한 대책

23 물 관리 및 냉각계 - 내연기관에 비해 폐열량은 상당히 적음 - 냉각 량은 적지 않음
스택의 최적온도 유지를 위한 냉각 - 내연기관에 비해 폐열량은 상당히 적음 - 냉각 량은 적지 않음 - 작동온도가 낮아 냉각수와 대기의 온도 차가 작아서 라디에 이터를 통한 열 교환 능력이 줄어 듬 - 내연기관차에 비해 냉각 시스템이 커짐 - 효율적인 라디에이터 설계 요구 수소압력은 스택 입구에서 조절 수소저장 압력이 공기 공급 압력보다 높기 때문에 수소 공급계 부품들의 파손이나 오작동으로 인해 스택에 공급되는 수소의 압력이 공기 압보다 높게 공급되는 경우에 대한 대책

24 물 관리 및 냉각계 연료전지 라디에이터 냉각 시스템 수소압력은 스택 입구에서 조절
수소저장 압력이 공기 공급 압력보다 높기 때문에 수소 공급계 부품들의 파손이나 오작동으로 인해 스택에 공급되는 수소의 압력이 공기 압보다 높게 공급되는 경우에 대한 대책 연료전지 라디에이터 냉각 시스템

25 보조전원 관리 보조전원 관리 시스템(BMS) - 연료전지 스택의 내구 수명을 증대 - 주행거리와 연비 향상
보조전원 2차 전지나 울트라 커패시터를 사용 - 연료전지 자동차의 시동시, 기동용 전원 수소압력은 스택 입구에서 조절 수소저장 압력이 공기 공급 압력보다 높기 때문에 수소 공급계 부품들의 파손이나 오작동으로 인해 스택에 공급되는 수소의 압력이 공기 압보다 높게 공급되는 경우에 대한 대책

26 연료전지 자동차의 기능별 동작 일정 속도 주행시의 동작상태 전기E 교류 연료전지 스택 인버터 모터 구동

27 연료전지 자동차의 기능별 동작 출발 또는 가속 동작상태 많은 동력 필요 연료 전지 스택 + 배터리 인버터 모터 가동 전기E
연료 전지 스택 + 배터리 인버터 모터 가동 전기E 교류

28 연료전지 자동차의 기능별 동작 감속시 동작 상태 전기E 여유 동력 에너지 모터(발전기) 배터리

29 자동차에 사용되는 기술 안전설계 기술 소음진동 저감기술 – 내부로의 소음 줄일수 있다. 차세대 차체 설계기술
차량 경량화 기술-가벼워지면 차량 동역학적 특성 개선 모듈화 기술- 효율적인 차량 관리 가능 부품 배치 최적화 기술 X-by-Wire 기술- 기계적 장치는 전기 및 전자제어 시스템으로 수소압력은 스택 입구에서 조절 수소저장 압력이 공기 공급 압력보다 높기 때문에 수소 공급계 부품들의 파손이나 오작동으로 인해 스택에 공급되는 수소의 압력이 공기 압보다 높게 공급되는 경우에 대한 대책

30 연료전지 자동차 개발 현황 미국과 일본 에서 가장 활발한 연구 진행 중

31 국내외 개발동향 및 사례 (일본) FCHV(TOYOTA) 최대속도(kph): 155 주행거리(km):300
최대출력(kW): 90 수소저장 종류: 압축수소 최고충전압력: 35MPa 부피: 탱크4개(Q社) 전장/전폭/전고: 4735 / 1815 / 1685 공차중량(kg): 1860 모터 종류: 유도 전동기형 최대출력(kW): 80 토크(N-m): 260 가격 30개월간의 리스(엔/월) ※소비세 포함: 1,050,000

32 국내외 개발동향 및 사례 (일본) FCX(HONDA) 최대속도(kph): 150 주행거리(km): 355
최대출력(kW): 78 수소저장 종류: 압축수소 최고 충전 압력: 35MPa 부피: 42Nm3, 3.75kg 전장/전폭/전고: 4165 / 1760 / 1645 공차중량(kg): 1680 모터 종류: 유도 전동기형 최대출력(kW): 60(혼다) 토크(N-m): 272

33 국내외 개발동향 및 사례 (미국 및 유럽) Sequel (GM) 스케이드 보드형식

34 국내외 개발동향 및 사례 (국내) 투싼 (현대자동차) 최대 출력 : 80kw 최대속력: 150km/h 주행거리: 300km

35 국내외 개발동향 및 사례 (국내) 투싼 싼타페 Dimension FC Power 80 KW 75 KW 저온 시동성 가능 불가능
4352(L) 1795(W) 1675(H) 4500(L) 1820(W) FC Power 80 KW 75 KW 저온 시동성 가능 불가능 H2 탱크부피 152 72 최고속도 150kph 124kph 주행거리 300km 180km

36 국내외 개발동향 및 사례 (국내) 아이블루 컨셉차(현대자동차) 최대출력: 100KW 주행거리: 600km 최고속도: 165km
수소저장 종류: 압축수소 최고충전압력: 70MPa 부피: 115리터

37 국내외 개발동향 및 사례 (국내) 국내 최초 연료전지 버스(현대자동차)

38 장점과 문제점 에너지 효율 비교 자동차에 인가된 부하에 따른 발전효율 (31%) 발전효율 연료전지 스택 - 31%
내연기관 - 15%

39 장점과 문제점 PROBLEMS MERITS 수소를 충전을 위한 사회기반 시설의 부족
가격- 고가의 세퍼레이터와 전해질 막, 값비싼 백금 저장 수소 용량 제한 MERITS 전기자동차 수준의 정숙성(저소음 저 진동)과 운전의 편의성 제공 동력전달 계통이 간단 넓은 실내공간이 가능하며 평판 형 플랫폼에도 유리 하나의 플랫폼을 여러 차종이 공유하는 데에 이점 제공 연료전지 스택(stack)은 재활용이 가능

40 전망 및 결론 (미래의 친환경자동차 시장전망)

41 전망 및 결론 SK - 수소 제조 장치 개발 및 공급 계획 수소 스테이션 단계별 구축 계획안 국내에 설립된 수소 스테이션

42 전망 및 결론 미래형 자동차 산업은 부품 및 시스템을 자체 개발하여 세계표준을 선도하고 선점우위를 확보하는 것을 장기적 전략으로 해야 한다. 정부의 적극적 지원으로 활발한 육성 요망 미국, 일본, 유럽과 같이 국내에서도 버스 등 공공 수송 부분에 대해서 시범 운행이 조기에 시행될 수 있어야 한다. 자동차산업의 경쟁력 제고와, 기술적 파급효과에 따른 고용증대 등을 통한 신 산업 창출 예상 국가 에너지 문제 개선, 환경 문제, 그리고 무역수지를 개선시킬 수 있다.

43 참고문헌 연료전지 자동차 기술(3), 조흥곤, 한국과학기술정보연구원 연료전지 자동차 기술(4), 조흥곤, 한국과학기술정보연구원