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토트샘(Thothsaem)이 연료전지 기술에 대한 개요를 쉽게 알려줍니다. 연료전지(Fuelcell)의 기본 원리와 단위셀 (unit cell)을 이루고 있는 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 가스확산층 (GDL: Gas Diffusion Layer), 분리판(Separator/ Bipolar plate) 부품에 대해 자세히 설명합니다. PEMFC (Proton Exchange Membrane)의 경우 막전극접합체(MEA)는 세부적으로 Pt/C 백금-탄소 촉매(Catalyst)와 전해질막(Nafion membrane)으로 구성되어 연료전지의 핵심 구성품으로 아직 가격이 비싸 상용화의 bottle-neck으로 작용하고 있습니다. 그외에 이러한 PEMFC를 이용한 수소 전기차 (Hydrogen fuelcell electric vehicle)에 대해서도 간단한 구동원리를 소개합니다.
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에너지의 미래, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)
고분자 전해질 연료전지의 원리는 수소 이온은 전해질막으로 통과시키고 이 막으로 통과되지 못한 전자가 밀려서 도선을 따라 흐르게 되어 전류가 생성 …
Source: www.ksakosmos.com
Date Published: 6/14/2022
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연료전지: PEMFC – 네이버 블로그
PEMFC는 anode에 수소를 넣고, cathode에 공기 혹은 산소를 넣어줍니다. 수소가 이온형태(proton)로 분해되면서 이온은 전해질을 통해 cathode로 이동해 …
Source: m.blog.naver.com
Date Published: 1/25/2021
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연료전지 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)편집 · 고분자전해질 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)편집 · 고체산화물 연료전지 ( …
Source: ko.wikipedia.org
Date Published: 12/7/2021
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연료전지의 시장현황 및 응용과 고분자전해질 … – KoreaScience
의 작동 원리는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 같. 다. 다만 원료로써 H2 대신 메탄올을 사용한다. DMFC는 메탄올을 직접, 전기화학 반응시켜 발전하는. 시스템이다.
Source: www.koreascience.kr
Date Published: 4/17/2022
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연료전지 시스템 10kW – PEMFC : (주)두산 퓨얼셀 파워
연료전지 시스템은 도시가스를 이용해 수소를 생산하고 이를 공기중의 산소와 전기화학반응시켜서 전기와 열을 발생시키는 발전기로서, 고효율 (발전효율 > 35%, …
Source: www.doosanfuelcellpower.com
Date Published: 10/22/2021
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연료전지 개요와 현황
연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 고체 산화물 연료 … (수송형 연료전지) PEMFC가 대표적이며 수소전기차, 버스, …
Source: www.ctis.re.kr
Date Published: 12/20/2021
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현대차 PEMFC, 연료전지 발전시장 지평 넓힌다 – 월간수소경제
[월간수소경제 이종수 기자] 현대자동차가 넥쏘 수소전기차 기술 기반의 수소연료전지 발전시스템(PEMFC)의 상업화에 시동을 걸었다.Source: www.h2news.kr
Date Published: 3/28/2022
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연료전지의 원리 – 호라이즌퓨얼셀코리아
전해질의 고분자 막은 수소 이온만을 통과시키고, 막 안쪽의 음극에는 전자가 남게 됩니다. 수소 이온은 공기극의 산소와 결합하여 물이 되며, 이 양극 사이의 전위차에 …
Source: www.horizonfuelcell.co.kr
Date Published: 2/7/2021
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- Author: 토트샘ThothSaem
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- Date Published: 2019. 10. 15.
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연료전지: PEMFC
bipolar plate, gasket, gas diffusionlayer(GDL), catalysts, membrane 순으로 쌓여있고 반대쪽은 membrane을 기준으로 다시 대칭으로 배열 됩니다. gasket은 단순히 새어나오는것을 방지하는 장치이기 때문에 핵심 부품은 bipolar plate, gas diffusionlayer(GDL), catalysts, membrane 이렇게 4가지로 생각하시면 됩니다. 여기서 다시 MEA(membrane electrode asembly)로 따로 말하기도 하는데 anode + membrane + cathode 를 뜻합니다. MEA의 기준을 catalyst 까지 3개의 층으로 보는 사람도 있고, GDL까지 5개의 층으로 보는 사람도 있습니다. 이 MEA에 bipolar plate까지 채결하면 단위전지 (uint cell)라 합니다.
bipolar plate는 연료전지를 구성하는 단위 전지를 연결하는 역할(bipolar)과 산소와 수소를 공금하는 역할을 합니다. GDL과의 전기적 접촉이 넓어야 하기때문에 bipolar plate의 유로 디자인은 철저한 계산을 통해 설계됩니다. bipolar plate는 실제 연료전지 스택 부피의 대부분을 차지하고, 중량의 약 80%를 차지합니다. 그렇기 때문에 bipolar plate의 이상적인 모습은 가능한 얇으며 전기저항이 작아야합니다.
MEA의 구성요소는 내용이 많을것 같아 따로 다루겠습니다~ 다음 포스팅을 기다려주세요~~!
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메탄올 연료전지. 실제 연료전지부분은 가운데에 보이는 여러 개의 판이 직육면체 모양으로 겹쳐있는 부분이다.
연료전지(燃料電池, Fuel Cell)란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 화학 반응은 촉매층내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능하다.
특징 [ 편집 ]
전지는 닫힌 계에 화학적으로 전기에너지를 저장하는 반면, 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산한다. 또한 전지의 전극은 반응을 하여 충전/방전 상태에 따라 바뀌지만, 연료전지의 전극은 촉매작용을 하므로 상대적으로 안정하다.
연료와 산화제로는 여러 가지를 이용할 수 있다. 수소 연료전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하며, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화 염소 등을 산화제로 이용할 수 있다.[1] 연료전지의 발전 효율은 40~60% 정도로 대단히 높으며, 반응 과정에서 나오는 배출열을 이용하면 전체 연료의 최대 80%까지 에너지로 바꿀 수 있다. 게다가 천연 가스와 메탄올, LPG(액화석유가스, propane gas), 나프타, 등유, 가스화된 석탄 등의 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지자원을 확보하기 쉽다. 또한 연료를 태우지 않기 때문에 지구 환경보호에도 기여할 수 있다. 또한 질소산화물(NOx)과 이산화탄소의 배출량이 석탄 화력 발전의 각각 1/38과 1/3 정도이며, 소음도 화력발전 방식에 비해 매우 적다는 장점이 있다. 이와 더불어 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고, 화력발전 방식에 비해 훨씬 적은 토지 면적을 필요로 하기 때문에 입지 선정이 용이하다. 따라서 도심 지역 또는 건물 내에 설치하는 것이 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있다. 연료전지는 기존의 화력 발전을 대체할 수 있으며, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 더 나아가서는 무공해 자동차의 전원 등에 적용될 수 있다.
연료전지 발전 장치 [ 편집 ]
연료전지 발전 장치의 구성 요소로는 다음과 같은 것들이 있다.
연료 개질기(Fuel Reformer) [ 편집 ]
화학적으로 수소를 함유하는 일반 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스 메탄올 등)로부터 연료 전지가 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변환하는 장치이다.
연료전지 본체(스택 stack) [ 편집 ]
연료 개질 장치에서 들어오는 수소와 공기 중의 산소로 직류 전기와 물 및 부산물인 열을 발생시킨다. 오늘날에는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC)등의 다양한 종류의 연료전지가 개발되어 있다.
전력 변환 장치(Inverter) [ 편집 ]
연료 전지에서 나오는 직류 전원을 교류 전원으로 변환시킨다.
기타 장치 [ 편집 ]
이외에도, 연료전지 발전 설비의 효율을 높이기 위하여 연료 전지 반응에서 생기는 반응열과 연료 개질 과정에서 나오는 폐열 등을 이용하는 장치가 부수적으로 필요하다.
연료전지의 종류 [ 편집 ]
용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) [ 편집 ]
통상 제 2 세대 연료전지로 불리는 용융탄산염 연료전지(MCFC)는 다른 형태의 연료전지와 마찬가지로 열효율과 환경친화성이 높고 모듈화가 특성되었으며 설치공간이 작다는 장점을 갖는다. 또, 650°C의 고온에서 운전되기 때문에 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 추가적인 장점들을 갖고 있다. 고온에서의 빠른 전기화학반응은 전극 재료에 쓰이는 촉매로써 백금 대신 저렴한 니켈의 사용을 가능케 하여 경제적인 생산이 가능해진다. 그리고 백금 전극을 이용할 경우 백금 성분에 독성 물질로 작용하는 일산화탄소마저도, 니켈 전극을 이용할 경우 수성가스 전환반응을 통하여 연료로 이용할 수 있게 된다. 따라서 일산화탄소를 발생시킬 우려가 있어 백금을 이용하는 저온형 연료전지에는 사용하기 힘든 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스 등 다양한 연료를 MCFC에는 이용할 수 있다. 그리고 HRSG(Heat Recovery Steam Generator) 등을 이용한 bottoming cycle로 양질의 고온 폐열을 회수 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 약 60% 이상으로 제고시킬 수 있다. 또한, MCFC의 높은 작동 온도는 연료전지 스택 내부에서 전기화학반응과 연료개질반응이 동시에 진행될 수 있게 하는 내부개질 형태를 허용한다. 이러한 내부개질형 MCFC는 전기화학반응의 발열량을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하므로 외부개질형 MCFC보다 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하며, 시스템 구성이 간단해진다.
그러나 MCFC는 고온에서 부식성이 높은 용융탄산염을 사용하기 위한 내식성 재료의 개발에 따르는 경제성 문제 및 수명, 신뢰성 확보 등 기술적 검증이 아직 끝나지 않아 본격적인 상업화는 2005년 이후에나 가능하리라고 생각된다. 미국, 일본 등을 비롯한 선진외국에서는 기초연구는 물론 시스템 데모에 이르는 개발연구에까지 적극적으로 투자하여 최근 급속도로 많은 발전이 이루어지고 있다. 국내에서도 한전 전력연구원을 중심으로 KIST, 한국중공업 및 여러 대학이 참여하여 용융탄산염 연료전지의 자체 기술을 확보하기 위한 개발 연구를 대체에너지 및 선도기술(G7) 사업의 하나로 진행하고 있다.[2]
고분자전해질 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) [ 편집 ]
수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100°C 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단하다. 또한 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템이다. 이와 같은 PEMFC는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용범위가 매우 다양하다. PEMFC에 대한 연구는 1955년 미국의 GE에서 처음으로 시작되어 1962년에 이미 1kW급 PEMFC 스택 2개로 이루어진 모듈을 Gemini 우주선 3호부터 12호에 사용하였다. 이후로 PEMFC를 연료전지자동차 등 민간용으로 응용하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다. 대기 오염의 주 원인인 내연기관 차량을 대체할 수 있는 무공해 자동차로는 원래 배터리를 동력원으로 하는 전기자동차가 각광을 받고 있었다. 그러나 배터리를 전기자동차 동력원으로 사용할 경우 충전 시 많은 시간을 요구하고, 에너지 밀도가 낮아 주행가능 거리가 짧으며 배터리의 수명이 짧은 문제점이 있다. 또한 전기자동차가 상용화된다면 많은 전기 충전소의 설치가 필요하며 여기서 사용되는 전기는 대규모 발전소에서 공급되므로 결국 오염원의 이동에 불과하다고 볼 수 있다. 따라서 전기자동차 동력원으로서의 배터리에 대한 단점을 보완하기 위하여, 연료전지 구동방식 또는 배터리와 연료전지를 동시에 사용하는 혼합형(hybrid) 자동차를 구성하는 방법이 최근에 각광받고 있다. 우리나라에서는 1990년대부터 대학을 중심으로 단위 전지에 대한 기초연구를 시작하였으며, KIST 연료전지연구센타에서도 1996년부터 고분자전해질 연료전지 원천기술 개발을 시작한 후 2000년 5kW 급 스택을 제작하여 연료전지/배터리 하이브리드 골프카트에 적용한 바 있다.[3]
손원일급 잠수함이 독일 지멘스가 개발한 120 kw 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 2개와 배터리를 혼합한 하이브리드 방식의 추진체계를 탑재했다.
고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) [ 편집 ]
3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 1937년에 Bauer와 Preis에 의해 처음으로 작동되었다. SOFC는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 – 1000 °C)에서 작동한다. 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있다. 이러한 장점들 덕분에 SOFC에 관한 연구는 21세기 초에 상업화하는 것을 목표로 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있다.
일반적인 SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극, cathode) 및 연료극(음극, anode)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이 때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리이다.[4]
직접메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) [ 편집 ]
이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 직접메탄올 연료전지 입니다.
직접메탄올 연료전지(DMFC)는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양쪽에 각각 음극과 양극이 위치한다. 음극에서는 메탄올과 물이 반응하여 수소 이온과 전자를 생성한다. 생성된 수소이온은 전해질 막을 통해 양극 쪽으로 이동하고, 양극에서는 수소 이온과 전자가 산소와 결합하여 물을 생성시킨다. 이 때 전자가 외부 회로를 통과하면서 전류를 발생시키는 것이 작동원리이다.
실제 사용시에는 출력을 높이기 위해 이러한 단위전지를 여러 개 묶어서 스택을 만들어 사용하는데, 일반적인 연료전지의 스택에서는 양극판(兩極板, bipolar plate)을 사용하지만 마이크로 연료전지에서는 단극판(單極板, monopolar plate)을 사용한다. DMFC는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 똑같은 구성요소를 사용하지만, 메탄올을 개질하여 수소로 만들 필요가 없이 직접 연료로 사용할 수 있기 때문에 소형화가 가능하다. DMFC는 PEMFC에 비해 출력밀도는 낮지만, 연료의 공급이 용이하고 2차전지에 비해 높은 출력밀도를 갖기 때문에 자동차의 동력원으로서 2차전지를 대체할 수 있는 가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있다.[5]
직접에탄올 연료전지 (Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC) [ 편집 ]
직접에탄올 연료전지(DEFC)는 직접메탄올 연료전지와 메커니즘은 같으나, 연료는 에탄올을 사용하며, 출력 전압은 0.5 ~ 45 V 가량의 연료 전지이다. 2007년 5월 미국에서 20 ~ 45 V의 전압을 내는 직접에탄올 연료전지를 개발하였다.
반응 메커니즘 : C 2 H 5 OH + 3H 2 O → 2CO 2 + 12H+ + 0.5V
인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC) [ 편집 ]
인산형 연료전지(PAFC)는 액체 인산을 전해질로 이용하는 연료전지이다. 전극은 카본지(carbon paper)로 이루어지는데, 백금 촉매를 이용하기 때문에 제작 단가가 비싸다.
한편, 액체 인산은 40°C에서 응고되어 버리기 때문에 시동이 어려우며, 지속적인 운전 또한 제약이 따른다. 그러나 150~200°C의 운전 온도에 이르게 되면 반응 결과물로 생성되는 물을 증기로 바꾸어 공기나 물의 가열에 이용할 수 있게 된다. 이렇게 발생되는 열과 전력을 합했을 때 전체 효율은 80%에 이르며, 일산화탄소에 내성이 있어서 고정형 연료전지 시장에서 그 입지를 넓혀 가는 중이다.
직접탄소 연료전지(DCFC) 혹은 직접석탄 연료전지(direct coal fuel cell or coal fuel cell, CFC)는 고온형 연료전지인 고체산화물 연료전지(SOFC)와 용융탄산염 연료전지(MCFC)로부터 파생된 차세대 고온형 연료전지 기술이라고 말할 수 있다.[6][7] 고온형 연료전지도 일반적으로 수소를 연료로 가장 많이 이용하며 최근 메탄, 에탄, 부탄, 디젤과 같은 탄화수소계 (hydrocarbon) 연료를 이용하려는 연구가 활발히 진행되고 있지만 사용되는 촉매(Ni 기반)가 대부분 연료 중에 포함되어 있는 탄소 증착(침착) (C-C deposition, formation)문제로 장기 가동에 문제를 가지고 있다.
일반적으로 DCFC는 다음과 같은 잠재적인 이점들을 가지고 있다.
1. 발전 시스템이나 여타 다른 에너지 시스템과 비교할 수 없는 이론적으로 높은 열역학 에너지 전환율 (ηth=ΔG/ΔH=over 100%) (의문: 어떻게 100%가 넘어요 말이되나?)을 가지고 있다. 이는 엔트로피 변환값이 모든 작동 온도 (T>600’C) 구간에서 0가까운 양의 값을 가지며, 자유에너지 변환 값이 엔탈피 변환 값보다 항시 크기 때문이다.
2.NOx,SOx와 같은 부생 가스를 배출을 최소로 줄일 수 있으며, 최종 산물은 매우 순도 높은 CO2 가스를 배출하기 때문에 차후 탄소 저장 및 포집CCS 기술과 연계가 용이하다.
3. 시스템이 고온에서 작동하기 때문에 다양한 종류의 고체 형태의 탄소 연료 (coal, coke, char, graphite) 뿐만 아니라 바이오 매스도 연료로 이용이 가능하다.
4. 연료전지 기술 자체가 매우 잘 정립되어 있기 때문에 기존의 화력 발전소 혹은 석탄가스화복합발전(IGCC; Integrated Gasification Combined Cycle)과 연계하여 부생 가스(syngas, CH4, H2)와 잔존 석탄 찌꺼기 등을 연료로 이용이 가능하다.
전체 반응식: C + O 2 → CO 2 .
1. 고체산화물전해질 기반 직접탄소 연료전지
연료극(anode) 반응.
<직접 전기화학적 산화반응>
C + 2O2− → CO 2 + 4e−
C + O2− → CO+ 2e−
<간접 전기화학적 산화반응>
CO + O2− → CO 2 + 2e−
C + CO 2 → 2CO
공기극(cathode) 반응
O 2 + 4e− → 2O2−
외국의 연료 전지 발달 정도 [ 편집 ]
일본의 연료 전지기술은 상당한 수준으로, 이미 1996년 6월말 기준으로 약 3.0만kW의 연료 전지(인산형)가 가동되고 있다. 그러나 아직도 연구과제가 많기 때문에, 장래 많은 이용이 예상되는 호텔, 병원, 오피스 빌딩등에서 현장시험과 연구가 계속 진행되고 있다.
일본은 1981년부터 6년 동안 에너지 절약 기술 개발 계획(Moonlight Project)의 일환으로 연료 전지의 신뢰성 향상과 고효율화 기술의 개발을 추진하였고, 인산염형의 경우 1000 kW급 발전 설비의 독자 개발과 실증 실험, 200kW급 현지 설치형의 상용화를 목표로 하여 연구 개발을 추진하였다. 최근에는 New Sunshine 계획에 의해 1996년까지 가압형 5 MW, 상압형 1 MW급 발전 설비의 실증 실험을 목표로, 9개의 전력 회사와 4개의 가스회사 및 전력중앙연구소로 구성된 연구 조합을 구성하고, NEDO 주관 하에 대규모 실용화 연구를 수행하고 있다. 현재의 기술 수준은 화력 대체와 분산 전원용으로 이미 1 MW급 실증 플랜트의 운전 시험을 완료하였으며, 동경전력은 11MW급 인산염형 연료 전지 발전소를 1991년 완공하여 운전시험을 계속하고 있다.
연료 전지 기술을 선도하고 있는 미국은 1962년 제미니 계획에 의하여 우주 및 군용의 알칼리 연료 전지 연구를 처음 시작하였다. 그 후 1969년 28개 가스회사가 중심이 되어, 주거용 및 상업용 인산염형 연료 전지 기술 개발을 위한 9년 계획인 TARGET(Team to Advanced Research for Gas Energy Transformation) 프로그램을 수립하고, 이를 UTC(United Technology Corp. 현재 IFC : International Fuel Cell) 사에 개발을 위탁함으로써 시작되었다. 최근에는 FCG-1 계획에 의해 IFC, WH(Westinghouse)사에서 전기 사업용 MW급 연료 전지 기술 개발 사업을 수행하고 있고, 25-400 kW급의 현지 설치형을 개발하여 20 0kW급은 이미 상용화되었으며, 제조 단가를 현재의 약 3000 $/kW에서 1500-1000 $/kW 이하로 낮추고 수명을 40,000 시간 이상 지속시킬 수 있는 발전 시스템을 개발하기 위해 노력하고 있다.
유럽 연료전지 기술 개발은 미국과 일본의 기술 독점에 대한 방어적 개념에서 개발이 추진되고 있으며, 연료 개질기, 전력 변환 및 System Engineering 관련 기술을 기업이 보유하고 있다. 네덜란드는 ’86년부터 PEO주도로 미국의 IGT에서 핵심기술을 도입하여 ECN에서 MCFC를 개발하고 있다. 이태리는 ’86년부터 ENEA 주도로 VOLTA 계획을 추진하여 PAFC, MCFC, SOFC를 개발하고 있다. 기타 국가는 기초 연구, 주변 기술(개질, 전력 변환)의 개발을 추진하고 있으며 Siemens, ABB, Haldor Topsoe A/S등이 관련 기술을 보유하고 있다. 캐나다는 자동차용 고분자 전해질형 연료 전지 개발을 주도하고 있으며, Ballard Power System Inc.에서 연료 전지 버스와 승용차를 개발하고 있다.
국내의 연료 전지 발달 정도 [ 편집 ]
국내의 연료 전지 기술 개발은 1985년부터 한국에너지기술연구소와 한전기술연구원 공동으로 5.9kW급 인산염형 연료 전지 본체를 수입하여 국내 최초로 발전 시스템을 구성하여 성능 실험을 실시한 것이 효시이다. 이를 계기로 국내에서도 연료 전지 개발의 중요성을 인식하게 되었으며, 최근에는 연구 개발 사업이 활성화되어 인산염형, 용융 탄산염형, 고체 전해질형 및 고분자 전해질 연료 전지도 개발하고 있다.
한국에너지기술연구소는 1987년부터 6년 동안 과기처 국책 연구 사업을 주관하여 연구소, 대학 등이 공동으로 참여하는 인산염형 연료 전지 개발 연구를 수행하였으며, ’92년도에는 1kW 인산염형 연료 전지 본체를 성공적으로 개발한 바 있다. 이 사업은 ’93년부터 시작된 국가 선도 기술 개발 사업으로 연계되어 산·학· 연 공동 참여에 의해 실질적인 50kW급 인산염형 연료 전지의 실용화를 위한 요소 기술을 개발하고 있으며, 2000년까지 200kW급 인산염형 연료 전지 발전 시스템 개발을 목표로 설정하고 있다.
또한 1989년부터는 통상산업부의 대체 에너지 기술 개발 사업으로 40kW급 인산염형 연료 전지 발전 시스템의 개발 사업을 수행하였다. 연료 전지 본체 개발은 호남정유(현 GS칼텍스), 연료 개질기는 유공(현 SK이노베이션), 전력 변환 장치는 금성산전(현 LG산전), 계통 연계 기술 개발은 한국전기연구소가 담당하고 가스공사가 사업을 주관하는 공동 연구 체제를 구성하였다.
또한 1987년부터 수소자동차 연구에 들어간 성균관대학교 기계공학과 이종태 교수와 대학원 및 학부생 등 10여명으로 이루어진 내연기관연구실팀이 1993년 6월 아시아 타우너 밴을 기초로한 국내 최초의 수소자동차인 성균1호를 만들었다.
현재 국내의 기술 수준은 전반적으로 기초 연구 단계이나, 연료 전지 본체를 포함한 연료개질, 전력 변환 장치 등의 소규모 시제품 개발을 목표로 하여 추진 중이며 최근 10kW급 인산형 발전시스템과 5kW급 고체고분자 발전시스템이 한국에너지기술연구소에 의해 개발되었으므로 이러한 발전추세로 보아 단기간 내 현재의 선진 기술 수준에 근접할 수 있을 것으로 전망된다.
참고 문헌 [ 편집 ]
PEMFC : (주)두산 퓨얼셀 파워
인사말 안정적이고 깨끗한 고효율의 연료전지 보급에 앞장서도록 하겠습니다.
비전 최고의 제품과 기술력을 바탕으로 고객가치를 창출하는 연료전지분야의 Global Top 기업으로 성장해 나가겠습니다.
역사 국내 연료전지 시장의 선두주자인 (주)두산 퓨얼셀 파워의 발자취입니다.
품질경영 (주)두산 퓨얼셀 파워는 연료전지 업계 최초로 2006년 품질경영체제 ISO 9001과 2014년 녹색기술 인증서를 획득하였습니다. 지속적인 고객 니즈를 파악하여 생산, 품질, 제품공정 및 검사방법을 효과적으로 개선을 하여 최상의 고객 만족 수준을 유지하기 위해 노력하고 있습니다.
현대차 PEMFC, 연료전지 발전시장 지평 넓힌다
[월간수소경제 이종수 기자] 현대자동차가 넥쏘 수소전기차 기술 기반의 수소연료전지 발전시스템(PEMFC)의 상업화에 시동을 걸었다.현대자동차는 지난 1월 20일 독자기술로 개발한 수소연료전지 발전시스템의 준공식을 개최하고 한국동서발전, 덕양과 함께 시범 운영에 본격 착수했다.
3사는 지난 2019년 4월 ‘수소연료전지 발전 시범사업 MOU’를 체결하고 동서발전 울산 화력발전소 내 1MW급 수소연료전지 발전시스템 구축 및 시범사업 추진을 협의해왔으며, 이번 준공식을 기점으로 향후 2년간 수소연료전지 발전시스템을 시범 운영한다.
특히 넥쏘 수소전기차의 차량용 연료전지 모듈을 발전용으로 활용하고, 수소 직공급 전용으로 개발했다는 점에서 크게 주목된다. 현대차는 이 발전시스템이 미래사회에서 상당한 경쟁력을 발취할 것으로 기대하고 있다.
또한 현대차그룹은 이번 1MW급 상시발전용 외에도 차량용 연료전지 기술을 활용해 비상발전용, 이동식 발전기, 건물용 등으로 개발을 확대하며 연료전지 발전시장의 새로운 지평을 열어 나가고 있다.
1MW급 연료전지 발전시스템 시범 운영
현대차그룹은 지난 2018년 12월 공식 발표한 ‘FCEV 비전 2030’을 통해 타 완성차, 선박, 철도, 지게차 등 운송 분야, 전력 생산 및 저장 등 발전 분야에 연료전지시스템을 공급하는 신사업을 추진한다고 밝혔다.
현대차는 지난 2012년 여수엑스포 전시공간인 한국관에 당시 수소전기차용으로 개발 중인 연료전지시스템을 활용해 100kW급의 발전용 연료전지를 설치, 건물 내 전력을 공급한 바 있다. 2017년 현대차에 전략기술본부가 신설되면서부터 본격적으로 수소연료전지 발전시스템의 연구개발을 진행했다.
2018년 12월부터 울산테크노파크 수소연료전지실증화센터에서 500kW급 연료전지 발전시스템 실증운전을 통해 개선과 보완을 거쳐 이번에 울산 화력발전소에서 1MW급으로 시범 운영할 수 있게 됐다.
현대차가 개발한 1MW급 수소연료전지 발전시스템은 500kW의 전력 생산이 가능한 컨테이너 모듈 2대로 구성되어 있다.
덕양이 구축한 수소 배관(2.8km)을 통해 울산 석유화학단지에서 생산된 부생수소를 공급받는 해당 설비는 연간 생산량이 약 8,000MWh로, 이는 월 사용량 300kWh 기준 약 2,200세대에 전력을 공급할 수 있는 양이다.
여러 대의 넥쏘 수소전기차 파워 모듈이 컨테이너에 탑재되는 방식이라는 점에서 향후 컨테이너 대수에 따라 수십 내지 수백 MW로 공급량 확장도 가능하다.
특히 현대차의 수소연료전지 발전시스템은 기존 연료전지 발전시스템과 달리 현대차의 차량용 연료전지 기술이 적용되어 실시간으로 전기 생산량을 빠르게 조절해 효율적인 전력 공급이 가능하며, 이를 통해 태양광・풍력 등 재생에너지가 가지는 전력수급 변동성의 문제도 보완할 수 있다.
현대차는 이번 시범사업을 통해 국내 연료전지 발전시장의 부품 국산화율을 대폭 향상시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다.
과거 국내 발전용 연료전지의 대부분은 해외기술을 기반으로 하고 있어 부품 교체 및 유지 비용이 높았으나, 이번 시범사업을 통해 국내 순수 독자기술로 개발된 수소연료전지 발전시스템을 도입하게 되어 향후 시장이 확대될 경우 발전용 연료전지 가격과 더불어 수소차 가격 하락에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
현대자동차 전략기술본부 지영조 사장은 “이번 사업은 발전사와 함께 필드에서 설비 운영에 대한 경험을 쌓는다는 점에서 매우 깊은 의미가 있다고 생각한다”라며 “앞으로 성공적인 시범사업을 통해 상업화를 이루어 연료전지를 타 산업에 확대 적용하고 규모의 경제를 통한 수소산업 확대에 힘쓰겠다”고 밝혔다.
연료전지 발전시스템 개발 과정
<월간수소경제>는 이번 사업을 추진해온 현대차 전략기술본부 에너지신사업추진실장 오재혁 상무를 만나 현대차의 수소연료전지 발전시스템의 개발 과정과 향후 방향성 등에 대한 자세한 내용을 들었다.
오재혁 상무에 따르면 현대차는 초기에는 수소연료전지와 이를 기반으로 하는 수소전기차에 포커스를 맞추었다. 그러나 수소차 판매는 단순한 문제가 아니었다. 수소충전소 구축이 따라주어야 했고, 후속 연구개발도 필요한 상황이었다. 현대차가 가지고 있는 역량을 기반으로 더 잘할 수 있는 것을 찾았는데 바로 수소연료전지 발전시스템이었다.
오 상무는 “연료전지 발전시스템 사업이 수소차 또는 수소연료전지 자체와 상호 윈-윈 할 수 있는 사업이라고 판단해 2017년부터 사업화를 준비해 왔다”고 밝혔다.
현대차는 당시 수소연료전지 발전시스템 사업이 경쟁력을 가지고 선도적 위치를 차지하기 위해서는 결국 가격경쟁력을 갖추어야 한다는 결론에 도달했다.
“차량용 연료전지 모듈을 활용해 수소연료전지 발전시스템을 만들기 위해서 바꿔야 하는 부품이 생긴다면 가격경쟁력 측면에서 메리트를 가지기가 힘들어집니다. 그래서 차량용 연료전지를 최대한 공용화해서 사용하는 것이 가격경쟁력을 맞출 수 있는 유일한 길이라고 판단했습니다. 물론 일부 필요한 것은 조금씩 바꿀 수 있지만 최대한 공용화 해야 한다는 방향성으로 수명, 성능, 효율은 물론 가격경쟁력까지 맞추는 데 개발의 초점을 두었습니다.”
현대차는 수소연료전지 발전시스템 개발에서 아주 까다로운 발전 내구성을 확보하는 데 주력했다.
오 상무는 “차량용과 발전용은 요구되는 수명, 성능, 효율, 가격 등에 차이가 있다. 차량용과 공용화를 유지하면서 발전용으로서의 사양을 만족시키는 것이 어려웠고, 특히 장시간 운전이 가능한 수명(내구성)을 확보하는 게 가장 어려웠다”고 말했다.
그는 이어 “또 하나의 난관은 우리가 목표로 하는 수명을 보장할 수 있을 만한 소프트웨어(오퍼레이션 알고리즘)들이 자리를 잡고 있어야 하는데, 이를 증명하는 데 많은 시간이 걸렸다는 점”이라고 덧붙였다.
해외에서도 현대차와 같이 차량용 연료전지시스템을 활용해 발전용으로 개발하는 사례가 생겨나고 있다. 현대차가 선도적으로 수소연료전지 발전시스템을 개발해 차량용에 이어 발전용에서도 경쟁 우위를 나타낼 것이라는 게 오 상무의 견해다.
오 상무는 “현대차는 2018년 말부터 울산에서 연료전지 발전시스템(500kW)의 자체 실증을 시작했다. 도요타는 지난해 중반에 실증사업을 발표했고, 롤스로이스가 다임러・볼보와 협력해서 자동차용 연료전지를 발전용으로 개발을 추진하겠다고 발표한 것도 지난해 중반이었다. 이러한 점에서 현대차가 이들 기업보다 앞서 있다고 생각한다”고 밝혔다.
오 상무는 “처음 선보인 프로토타입의 500kW를 실증을 거쳐 컨테이너 형태로 컴팩트하게 상품형으로 만들어 울산 화력발전소 내에서 시범 운영 중인데, 이는 정말 여러 가지 많은 부분의 설계 노하우를 축적해서 만들었다는 데 의미가 있다”라며 “이번 시범사업 종료 후에 수십 MW 규모로 사업을 확대할 수 있도록 발전사와 공동으로 진행하는 사업화 준비 작업으로 이해하면 될 것”이라고 설명했다.
오 상무는 “이번 시범사업은 우리가 목표하는 성능・수명・효율 기준 등에 맞추어 제대로 작동하는지 확인하고, 제품을 판매하기 전에 운전 레코드를 쌓기 위한 것”이라며 “앞으로 갈 길이 더 있을 순 있겠지만 최종 제품에 근접했다고 판단하고 있다”고 말했다.
그는 이어 “이번 시범사업은 현대차의 수소연료전지 발전시스템이 최초로 고객사에서 운전되는 사례이기에 고객(동서발전)이 시범 운영 중에 요구하는 사항들이나 새롭게 얻은 데이터를 최종 제품에 반영하는 게 또 하나의 목표”라고 덧붙였다.
수소 직공급 전용 발전시스템
현대차는 수소연료전지 발전시스템을 수소 직공급 전용으로 개발했다는 점에 상당한 의미를 두고 있다. 미래사회에서는 수소 직공급 전용 연료전지 발전시스템이 핵심이 될 것이라는 판단에서다.
오 상무는 “현재 MCFC는 유지보수 측면에서 고전을 하고 있고, SOFC는 발전효율이 높지만 아직은 수명 관점에서 좀더 지켜봐야 할 것 같다. PAFC는 오래된 기술이고 시장에서 많이 증명된 기술이다. 이들 발전용 연료전지는 천연가스 개질에 중점을 두고 개발된 제품이지만 현대차의 수소연료전지 발전시스템(PEMFC)은 수소 직공급 전용이라는 점이 가장 큰 차이”라고 강조했다.
현대차는 수소연료전지 발전시스템 사업을 시작할 때 파리 기후변화협약이 몰고 올 미래사회의 메가트렌드를 주목했다.
“세계 각국이 파리 기후협약에 따라 온실가스 감축을 위해 에너지 전환을 추진 중인데, 그 핵심이 바로 재생에너지로의 전환입니다. 그런데 태양광, 풍력 등 재생에너지는 전력수급의 변동성 문제를 안고 있어요. 과거에는 수요 변화를 LNG 가스터빈 등을 활용해서 공급단계에서 맞춰 갔지만 이제 공급단계와 수요단계도 흔들리는 상황에서 수급균형을 맞출 수 있는(전력수급 변화에 능동적으로 대응할 수 있는) 친환경 발전 솔루션인 수소연료전지 발전에 주목할 필요가 있습니다. LNG 발전은 기본적으로 화석연료이기에 이산화탄소가 발생해 결국 미래사회에는 수소 직공급에 의한 연료전지 발전시스템이 굉장히 중요해질 것이고, 상당한 경쟁력을 가질 수 있을 것으로 보고 있습니다.”
그래서 SOFC 및 MCFC 등과는 마켓 포지션이 다르다는 게 오 상무의 말이다.
오 상무는 “국내에 수소 직공급 형태의 연료전지 발전시스템 구축 사례가 있으나, 현대차 제품은 효율이 높고 로드 팔로잉(부하 추종)이 실시간으로 이루어질 만큼 응답성이 빠르기 때문에 경쟁력을 가질 수 있을 것”이라고 설명했다.
다른 PEMFC 제품들과 비교해도 경쟁 우위를 점할 것이라는 게 현대차의 전망이다.
“이미 발전용으로 PEMFC 제품을 선보인 업체(해외)들이 여럿 있습니다. 현대차는 오랜 개발 경험과 노하우를 바탕으로 이들 제품보다 성능 면에서 우위를 점할 것이며, 무엇보다도 규모의 경제 효과에 집중할 것입니다. 차량용 연료전지 부품을 공용화했고, 수소차 보급 확대에 따른 규모의 경제는 수소연료전지 발전시스템에서 가장 중요한 가격경쟁력의 근원이기에 현대차가 가격경쟁력에서 우위를 점할 것으로 생각하고 있습니다.”
연료전지 발전시스템 공급 방향성
현대차는 수소연료전지 발전시스템을 수소 직공급에 최적화하여 개발했기에 당장 부생수소용으로 판매가 가능하고, 대형 수소생산단지에서 이산화탄소 제거장치를 거쳐서 생산된 수소는 물론 해외에서 생산한 그린 암모니아나 그린수소의 공급을 수소연료전지 발전시스템과 연결하는 방안 등 다양한 사업 모델을 구상하고 있다.
오 상무는 “향후 아프리카, 중동, 호주 같은 재생에너지가 유리한 지역에서 그린수소를 싸게 만들고, 이러한 수소를 수소차에도 공급하지만 에너지 수요가 많은 발전 분야에도 활용할 수 있도록 하는 것”이라며 “글로벌 관점에서 턴키(토털) 솔루션이 요구될 것이며, 이를 위해 국제적으로 역량 있는 기업들과도 협력할 수 있도록 하겠다”고 밝혔다.
국내에서도 실증사업을 추진 중이다. 현대차그룹은 지난해 11월 새만금개발청, 새만금개발공사, LG전자, 한국서부발전, 수소에너젠 등과 ‘그린 수소 밸류체인 구축을 위한 공동연구 양해각서’를 체결한 바 있다.
현대차는 새만금 재생에너지 전력으로 생산한 그린 수소를 연료전지 발전시스템에 투입해 전기를 생산하는 실증을 하게 된다.
또한 현대차는 융복합형 수소충전소에 연료전지 발전시스템을 연결하면 충전소의 경제성이 높아져 경쟁력을 가질 것으로 내다보고 있다.
오 상무는 “융복합형 수소충전소는 수소 생산, 충전, 판매, 연료전지 발전 등 다양한 기능이 포함된 충전소”라며 “수소 생산을 하는 리포머 초기 투자비용이 들지만 생산한 수소를 수소차에 공급하고, 남는 수소는 판매하거나, 연료전지 발전시스템을 연계하여 전력도 생산하면 충전소의 경제성이 개선되고, 연료전지 발전을 통해 전기차의 급속한 증가에 대응할 수도 있다”고 설명했다.
현대차는 지난해 7월 한국가스공사와 상용 수소전기차용 융복합형 수소충전소 구축・운영 등에 관한 업무협약을 체결한 바 있다.
연료전지 발전시스템 개발 확대
현대차그룹은 이번 1MW급 상시발전용 외에도 수십 킬로와트급의 건물용, 비상발전용, 이동형 발전시스템으로 개발을 확대해 나가고 있다.
현대모비스는 지난 2019년 2월 충북 충주에 있는 수소연료전지 공장 내에 차량용(넥쏘) 수소연료전지 5개를 나란히 병렬로 연결한 최대 450kW급 수소 비상 발전시스템을 설치해 공장 정전 시 비상전원과 계절별 전력 사용량 증가에 대비한 보조 전력으로 운영 중이다.
이에 앞서 2019년 1월 미국 라스베이거스에서 열린 세계 최대 규모의 소비자 가전 박람회(CES)에서 수소 비상 발전시스템을 소개한 바 있다.
현대차는 지난해 7월 경기도 고양시 킨텍스에서 개최된 ‘2020수소모빌리티+쇼’에서 이동형 수소연료전지 발전기를 선보였다.
이동형 수소연료전지 발전기는 수소전기차 넥쏘에 탑재된 연료전지 스택 2기를 결합해 제작됐다. 별도의 보조 전력저장장치 없이 연료전지 스택만으로 전기를 공급하는 방식으로 160kW의 최대 출력을 갖춰 정전 등 비상 상황이 발생했을 때 전기 공급이 가능하며, 섬이나 고산지대, 사막, 극지 등 전기 공급이 어려운 지역과 영화·방송 등 야외 촬영 현장에서도 사용할 수 있다.
특히 2대의 전기차를 동시에 급속 충전할 수 있을 뿐만 아니라 승용차는 물론 배터리 용량이 큰 전기 버스와 트럭 등의 상용차 충전도 가능하다. 돌발 상황에서 충전이 필요한 전기차 모터스포츠 등 다양한 분야에서 사용할 수 있어 활용 범위가 매우 넓은 것이 강점이다.
건물용 연료전지 발전시스템도 선보일 예정이다.
오 상무는 “건물용도 발전용과 같이 자동차용 연료전지 공용화에 초점을 둬 개발하고 있고, 발전용을 건축물에서 사용하는 규모에 맞도록 용량을 조절하여 대응할 수 있도록 준비하고 있다”라며 “울산 수소 시범도시와 연계해 현대차 소유부지에 있는 시설(문화회관)에 수소 배관이 연결될 예정으로, 이 시설에서 건물용 연료전지를 시범 운영하는 사업을 기획 중이고, 해외에서도 실증이 이뤄질 것으로 보인다”고 밝혔다.
끝으로 오재혁 현대차 상무는 “재생에너지와 연계할 수 있는 최적의 매개체는 수소이며, 수소를 직접 사용하는 연료전지 발전시스템인 현대차의 제품이 상당한 경쟁력을 발휘할 것으로 기대하고 있다”라며 “수소연료전지 발전시스템 사업을 성공적으로 추진해 일자리 창출 등 국가 경쟁력으로 이어지게 하고, 수소 사회도 앞당기는 데 기여할 것”이라고 각오를 밝혔다.
호라이즌퓨얼셀코리아
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연료 전지에 의한 발전의 메커니즘은 물의 전기 분해의 역방향으로 진행됩니다. 즉, 물의 전기 분해에서는 물에 전기를 흐르게 하면 수소와 산소가 발생하지만, 연료 전지에서는 수소와 산소를 반응시켜 전기를 발생시킵니다. 이 반응으로 배출되는 것은 물뿐입니다. 연료극에서 수소는 수소 이온과 전자로 나누어진다. 전해질의 고분자 막은 수소 이온만을 통과시키고, 막 안쪽의 음극에는 전자가 남게 됩니다. 수소 이온은 공기극의 산소와 결합하여 물이 되며, 이 양극 사이의 전위차에 의하여 전류가 발생합니다.
용융탄산 염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC )
용융탄산염 연료전지(MCFC)는 다른 형태의 연료전지와 마찬가지로 높은 열효율, 높은 환경친화성, 모듈화 특성 및 작은 설치공간이라는 장점을 갖습니다. 한편, 650℃의 고온에서 운전되기 때문에 인산형 연료전지(PAFC) 또는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 같은 저온형 연료전지에서 기대할 수 없는 추가적인 장점들을 갖고 있습니다. 고온에서의 빠른 전기화학반응은 전극 재료에 쓰이는 촉매로써 백금 대신 저렴한 니켈의 사용을 가능케 하여 경제적인 생산이 가능해지고 있습니다. 그리고 백금 전극을 이용할 경우 백금 성분에 독성 물질로 작용하는 일산화탄소마저도, 니켈 전극을 이용할 경우 수성가스 전환반응을 통하여 연료로 이용할 수 있게 되었습니다. 따라서 일산화탄소를 발생시킬 우려가 있어 백금을 이용하는 저온형 연료전지에는 사용하기 힘든 석탄가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스 등 꽤나 다양한 연료를 MCFC에는 이용할 수 있는 장점이 있습니다. 그리고 HRSG(Heat Recovery Steam Generator) 등을 이용한 bottoming cycle로 양질의 고온 폐열을 회수 사용하면 전체 발전 시스템의 열효율을 약 60% 이상으로 제고시킬 수 있습니다. 또한, MCFC의 높은 작동 온도는 연료전지 스택 내부에서 전기화학반응과 연료개질반응이 동시에 진행될 수 있게 하는 내부개질 형태를 허용합니다. 이러한 내부개질형 MCFC는 전기화학반응의 발열량을 별도의 외부 열교환기 없이 직접 흡열반응인 개질반응에 이용하므로 외부개질형 MCFC보다 전체 시스템의 열효율이 추가로 증가하며, 시스템 구성이 간단해집니다.
그러나 MCFC는 고온에서 부식성이 높은 용융탄산염을 사용하기 위한 내식성 재료의 개발에 따르는 경제성 문제 및 수명, 신뢰성 확보 등 기술적 검증이 아직 끝나지 않아 본격적인 상업화는 2005년 이후에나 가능하리라고 우리는 예상하고 있습니다. 미국, 일본 등을 비롯한 선진외국에서는 기초연구는 물론 시스템 데모에 이르는 개발연구에까지 적극적으로 투자하여 최근 급속도로 많은 발전이 이루어지고 있습니다. 국내에서도 한전 전력연구원을 중심으로 KIST, 한국중공업 및 여러 대학이 참여하여 용융탄산염 연료전지의 자체 기술을 확보하기 위한 개발 연구를 대체에너지 및 선도기술(G7) 사업의 하나로 진행하고 있는 실정입니다.
고분자전해질 연료전지 (Proton Exchange Membrane FC, PEMFC )
수소이온 을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100℃ 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단한 장점을 가지고 있습니다. 또한 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템 입니다. 이와 같은 PEMFC는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용범위가 매우 다양합니다. PEMFC에 대한 연구는 1955년 미국의 GE에서 처음으로 시작되어 1962년에 이미 1kW급 PEMFC 스택 2개로 이루어진 모듈을 Gemini 우주선 3호부터 12호에 사용하였습니다. 이후로 PEMFC를 연료전지자동차 등 민간용으로 응용하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있습니다.
대기 오염의 주 원인인 내연기관 차량을 대체할 수 있는 무공해 자동차로는 원래 배터리를 동력원으로 하는 전기자동차가 각광을 받고 있었습니다. 그러나 배터리를 전기자동차 동력원으로 사용할 경우 충전 시 많은 시간을 요구하고, 에너지 밀도가 낮아 주행가능 거리가 짧으며 배터리의 수명이 짧은 문제점이 있습니다. 또한 전기자동차가 상용화된다면 많은 전기 충전소의 설치가 필요하며 여기서 사용되는 전기는 대규모 발전소에서 공급되므로 결국 오염원의 이동에 불과하다고 볼 수 있습니다. 따라서 전기자동차 동력원으로서의 배터리에 대한 단점을 보완하기 위하여, 연료전지 구동방식 또는 배터리와 연료전지를 동시에 사용하는 혼합형(hybrid) 자동차를 구성하는 방법이 최근에 각광받고 있습니다. 우리나라에서는 1990년대부터 대학을 중심으로 단위 전지에 대한 기초연구를 시작하였으며, KIST 연료전지연구센타에서도 1996년부터 고분자전해질 연료전지 원천기술 개발을 시작한 후 2000년 5kW 급 스택을 제작하여 연료전지/배터리 하이브리드 골프카트에 적용한 바 있습니다.
고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC )
3세대 연료전지 로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로써, 1937년에 Bauer와 Preis에 의해 처음으로 작동되었습니다. SOFC는 현존하는 연료전지 중 가장 높은 온도(700 – 1000 ℃)에서 작동하게 됩니다. 모든 구성요소가 고체로 이루어져 있기 때문에 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 귀금속 촉매가 필요하지 않으며, 직접 내부 개질을 통한 연료 공급이 용이하다. 고온의 가스를 배출하기 때문에 폐열을 이용한 열 복합 발전이 가능하다는 장점도 지니고 있습니다. 이러한 장점들 덕분에 SOFC에 관한 연구는 21세기 초에 상업화하는 것을 목표로 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 활발히 이루어지고 있습니다.
일반적인 SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 공기극(양극, cathode) 및 연료극(음극, anode)으로 이루어져 있다. 공기극에서 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되며, 이 때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 기본 작동원리 입니다.
직접메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC )
직접메탄올 연료전지(DMFC)는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양쪽에 각각 음극과 양극이 위치합니다. 음극에서는 메탄올과 물이 반응하여 수소 이온과 전자를 생성합니다. 생성된 수소이온은 전해질 막을 통해 양극 쪽으로 이동하고, 양극에서는 수소 이온과 전자가 산소와 결합하여 물을 생성시킵니다. 이때 전자가 외부회로를 통과하면서 전류를 발생시키는 것이 작동원리입니다. 실제 사용시에는 출력을 높이기 위해 이러한 단위전지를 여러 개 묶어서 스택을 만들어 사용하는데, 일반적인 연료전지의 스택에서는 양극판(兩極板, bipolar plate)을 사용하지만 마이크로 연료전지에서는 단극판(單極板, monopolar plate)을 사용합니다. DMFC는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 똑같은 구성요소를 사용하지만, 메탄올을 개질하여 수소로 만들 필요가 없이 직접 연료로 사용할 수 있기 때문에 소형화가 가능합니다. DMFC는 PEMFC에 비해 출력밀도는 낮지만, 연료의 공급이 용이하고 2차전지에 비해 높은 출력밀도를 갖기 때문에 자동차의 동력원으로서 2차전지를 대체할 수 있는 가능성이 매우 높은 것으로 알려져 있습니다.
직접에탄올 연료전지 (Direct Ethanol Fuel Cell, DEFC )
직접에탄올 연료전지(DEFC)는 직접메탄올 연료전지와 메커니즘은 같으나, 연료는 에탄올을 사용하며, 출력 전압은 0.5 ~ 45 V 가량의 연료 전지입니다. 2007년 5월 미국에서 20 ~ 45 V의 전압을 내는 직접에탄올 연료전지를 개발 하였습니다.
반응 메커니즘 : C 2 H 5 OH + 3H 2 O → 2CO 2 + 12H+ + 0.5V
인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC )
인산형 연료전지 (PAFC)는 액체 인산을 전해질로 이용하는 연료전지입니다.
전극은 카본지 (carbon paper)로 이루어지는데, 백금 촉매를 이용하기 때문에 제작 단가가 높습니다. 그리고 카본지의 백금은 연료로 공급되는 수소 가스 내의 불순물인 일산화탄소에 의해 손상되기 쉬운 단점이 있습니다. 또한, 액체 인산은 40℃에서 응고되어 버리기 때문에 시동이 어려우며, 지속적인 운전 또한 제약이 따르는 문제도 있습니다. 그러나 150~200℃의 운전 온도에 이르게 되면 반응 결과물로 생성되는 물을 증기로 바꾸어 공기나 물의 가열에 이용할 수 있습니다. 이렇게 발생되는 열과 전력을 합했을 때 전체 효율은 80%에 이르며, 고정형 연료전지 시장에서 그 입지를 넓혀 가는 중입니다.
2003년부터 시작된 호라이즌퓨얼셀그룹의 기술개발은 아래와 같습니다.
호라이즌은 2016년 하반기를 시작으로, 소형 상용차, 지게차, 무인 드론, 무인잠수정 로봇 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 연료전지 솔루션을 공급합니다. 뿐만 아니라, 수소의 인프라망에 제약받지 않는 LNG, Methanol 등 다양한 개질 솔루션을 개발중에 있습니다. 2017년부터 100kW 급 이상의 중형 Propulsion Fuel Cell 을 시장에 공급할 예정입니다.
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