연료전지 FUEL CELL 1 개요 I u

연료전지 FUEL CELL

1. 개요 I u 연료전지란? l 수소, 천연가스, 알코올, 휘발유, 석탄 등 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변화 시키는 고효율의 무공해 발전장치 l 대규모 발전소 건설 대안으로 차세대 분산형 에너지원 미래형 초저공해 자동차 기술의 핵심기술 주요 사용처 가정용전원 및 온수공급 빌딩 및 아파트 분산형 전원 및 온수 및 식수공급 비상전원, 도서지역 전원공급, 무공해 자동차 l l u 차세대 국가성장 동력 산업 내 중점기술 l l 2003. 8. 22일 대통령 보고자료 에너지 고갈 및 기후변화협약 등 환경문제를 극복할 수 있는 무공해 차세대 산업 자동차에 대한 환경규제 극복 및 연관산업의 경쟁력 확보가능 가장 유망한 대체에너지 산업 2

Residential Power Generation Plug Power - Gen. Sys 5 C(5 k. W PEM) 미육군 Jackson내RPG 시범설치 Fort Configuration of RPG Fuel Cell 3

Fuel Cell Vehicles Bus에장착 Fuel Cell 된 Hydrogen Station in Reykjavik, Iceland 4

1. 1. 개요 II u 국가 대체에너지 개발·보급 계획 l l u 대체에너지 보급현황 : 덴마크(10. 8%), 미국(5%), 일본(3. 2%), 한국(1. 4%) 대체에너지 활성화를 위한 보급사업 「대체에너지 개발 및 이용보급 촉진법」(2002. 3) 공공기관 대체에너지이용 의무화, 인증제도, 대체발전 차액보전제도 대체에너지 시범보급사업, 대체에너지 세제지원제도 연료전지 보급 계획 구분 목표 1단계 (2003 -2005) -상용화 핵심기술 확보 2단계 (2006 -2008) -RPG 및 이동전원 연료 전지 보급 -발전용 및 수송용 연료전지 실증 3단계 (2009 -2012) - 연료전지 기술의 상용화 완성 (출처차세 성장동력 , 2003. 8. 22) : 대 추진계획 5

연료전지의 에너지경쟁력 60 FUEL CELL SYSTEMS 40 DIESEL ELECTRIC Efficiency Percent 20 STEAM AND GAS TURBINE SYSTEMS GASOLINE ELECTRIC 0 1 10 1000 10, 000 100, 000 Power output - Kilowatts 6

Zero Emission of Fuel Cell Source : UTC Estimates 7

화력발전과 연료전지 비교 구분 화력발전 연료전지 효과 발전 효율 35 % 50 ～ 60 % 에너지 절약, 온실가스 저감 연료 석유, 석탄 수소, 석유, 석탄, 천연가스, 바이오가스, 매립지 가스 등 에너지원 다변화 배출 질소화합물, 황화합물, 탄화수소, 소음 물, 무소음 무공해 (도심지 건설) 입지 310 평/MW 120 평/ MW 분산형 가능, 토지 효율 적 활용 및 송배전 투자 절감 건설 기간 6년 3년 경제적 건설 8

2. Fuel Cell 이란? u u 수소를 연료로 공기와 산화시켜 직접 전기를 생산하고 물을 배출하는 신에너지 기술 원리 9

2. 1. Fuel Cell의 종류 PEMFC(고분자전해질막 연료전지) SOFC(고체산화물 연료전지) PEMFC SOFC 연료가스 수소 수소, CO, Methane 혼합물 효율 40% 40~60% 개질기 수증기 개질, 부분산화, 수증기 개질 적용처 자동차, 가정용, 빌딩, 아파트 자동차, 빌딩, 아파트 복합발전소 10

회사별 개발 Fuel Cell Type May 2003, Chicago Center for Green Technology 11

Fuel Cell System Configuration Concept Design of Fuel Cell System for Residential Power Generation 12

Fuel Cell System Configuration for Automobile Concept Design of Fuel Cell System for Automobile, Ballard Power System 13

2. 2. 연료지 개발사례 전 Plug Power Gen. Sys 5 k. W PEMFC Plug Power Fuel Cell Plant 50 k. W PEMFC 14

GE Home. Gen 7000 7 k. W PEMFC UTC FC Energy Center 5 k. W PEMFC 15

Ballard Power System 250 k. W PEMFC Stationary Generator Siemens Power Generation 220 k. W SOFC Cogeneration System 16

On-Board vs. H-Storage of FCV 17

2. 2. Fuel Processor 란? u u u LNG, LPG 및 휘발류 등 기존연료를 연료전지에서 사용 가능한 고농도 수소연료 또는 수소 및 CO 혼합가스로 전환시키는 기술. Fuel Processor의 핵심기술은 연료개질기(Reformer) 및 수소농도를 높이는 후속 처리기술(수소분리막, WGS, Pr. Ox 등). Fuel Cell 종류에 따라서 다른 기술이 필요함. 18

PEM Process Schematic 19

Fuel Processor 공 정도 20

2. 3. Fuel Processor 주요 기술 u Reformer l l l u Water Gas Shift l l u CO + H 2 O H 2 + CO 2 HTS(400℃), LTS(200℃) CO Clean-up l l u Steam Reformer : CH 4 + H 2 O H 2 + CO (흡열반응) Partial Oxidation : CH 4 + O 2 H 2 + CO (발열반응) Autothermal Reformer : CH 4 + H 2 O + O 2 H 2 + CO (발열반응) Preferential Oxidizer(Pr. Ox) : CO + O 2 CO 2 Methanation : CO + H 2 CH 4 + H 2 O Desulfurization & DI Water System 21

3. 연료전지 기술현황 3. 1. 연료전지 종류별 현황 PAFC 인산형 연료전지 MCFC 용융탄산염 연료전지 PEMFC 고분자막 연료전지 SOFC 고체산화물 연료전지 발전소용 복합발전 중대형 자동차 빌딩, 아파트용 주요 대상 중형 발전소용 중대형 발전소용 승용차 중대형 자동차 가정용발전 개발 현황 200 k. W이상 상용발전 1993년 이래 11 MW급 시운전 완료 장기운전시 효율저하문제 분산형 발전소용 2 MW급 발전소 시운전 한전, 두산중공업 개발 승용차용 75 k. W 버스용 250 k. W 상용화단계 1~5 k. W 고정형 상용화 100 MW급 복합발전 시운전 IFC/ONSI(UTC) Bharat 중공업 Fuji Electric Fuel Cell Energy Ansaldo Fuel Cell IHI MTU Ballard(Alstom) Plug Power Benze-Chrisler GM Honda GE Siemens Power Cummins Delphi/PNNL 주요 개발사 22

3. 2. 연료전지 기술현황 종류 기업(국가) 현황 비고 UTC Fuel Cell(미) 200 k. W급 236대 판매 ($1. 8억) IFC/ONSI 인수합병 구입비 30% 정부지원 Fuji/Toshiba(일) 50~100 k. W급 61대 판매 (80억엔) 2002년 시판 Fuel Cell Energy(미) MTU(독) 300 k. W~1 MW 실증운전 2005년 실용화 IHI(일) 300~750 k. W급 개발중 2005년 IG-MCFC Siemens-W. H. (미) 200 k. W 시험중 복합화력 2008년 상용화 Sultzer-Hexis(스위스) 1~3 k. W RPG 2002년 시판 Global Thermoelectric 1~3 k. W RPG 전극기술 선두 FCT Inc. (캐나다) 5 k. W RPG Prototype 2004년 시판예정 PAFC MCFC SOFC 23

종류 기업(국가) 현황 비고 Ballard(캐나다, 미국) Ford, Daimler-Chrysler Toyoda, Honda(일) Alstom-Ballard(프) Ebara. Ballard(일) 250 k. W 보급 RPG 개발보급 2005년 양산예정 1~7 k. W RPG 보급 UTC FC/현대차 자동차용 PEM 개발 2008년 국산화 Avista. Lab. , Nuvera(미) DMFC 2003년 양산계획 현재 자동차용은 수소저장 기술 사용 Plug Power PEMFC 자동차용 75 k. W보급 시험차량 운행중 100 k. W 이동형 2003년 Prototype Manhattan Sci. (미) Medis Tech. (미) 휴대폰 및 군수용 2005년 상용화 Mitsubishi, SONY(일) PDA용 개발 NEC(일) 노트북용 개발 2003년 상용제품 발표 24

3. 3. Fuel Processor 기술현황 종류 기업(국가) 현황 비고 Hydrogen. Source Inc. (미) POX, WGS, Pr. OX 기술 UTC FC, Shell 투자 Hydradix Inc. (미) 1. 5 k. W(ATR, 수소 45%) 50 k. W급(PSA정제) UOP FP Team Spin-off SUD-Chem, CDP 투자 IDATech LLC. (미) Fuel Processor 5, 50 k. W급 FP(PEM용) Me. OH/CH 4 Reformer Stack 통합시스템 판매 (Stack : BPS) IDA Corp. , Idaho 전력 자회사 Mc. Dermott Tech. Inc. (미) SOFC용 FP 개발로 시작 LNG, Gasoline, Diesel개질 Mc. Dermott International, Bobcock & Wilcox 자회사 Innova. Te. K Inc. (미) Microchannel Reactor H 2 Membrane 기술개발 FP Concept Design 수준 Johnson-Metthey(미) ATR, WGS기술 5 k. W(PEM용) JM Gas Processing Tech. CO 50 ppm 이하 Chevron-Texaco(미) 7. 5 k. W(PEM용) 수소 40%이상 Osaka Gas(일) 0. 5 k. W, 1. 0 k. W FP SR FP 개발 Millennium Cell(미) Na. BH 4(Boron Hydride) 수소저장기술 개발 Ballard, Ford 등 투자 25

3. 4. 연료전지 기술 국내 현황 대상기술 참여업체 기술개발 현황 PAFC 현대중공업, 가스공사 한국전력 LG-Caltex 200 k. W급 2기와 1기를 수입하여 운전(ONSI) 50 k. W급 1기 수입하여 운전(ONSI) 50 k. W급 스택개발(2002) MCFC 한국전력 삼성엔지니어링 스택개발, 발전시스템, 2010년 상용화 목표 리포머, 시스템 설계 PEMFC CETE, LG-Caltex, FCP 가스공사, LG화학, SK 한전, 한국타이어 현대자동차 1 k. W, 50 k. W 스택개발, RPG 실용화 연구 리포머, 수소제조장치 개발 가정용 5 k. W 스택개발, 실용화 연구 UTC 기술제휴, 자동차용 개발, 수소저장 한국전력, KIST, 포철 1 k. W급 중온용 시스템 개발 연구 전극물질 및 스택개발 LG화학, LG전자 삼성전자, WOWTech 노트북, 휴대폰 용 이동형 전원 개발 100 W급 기술개발 SOFC DMFC 26

4. 현기술의 문제점 u PEMFC Fuel Processor 기술적 문제 u u u SOFC Fuel Processor 기술적 문제 u u Fuel Cell 기술은 완성단계 Fuel Processor 기술 미완성단계 Reformer, HTS, LTS, Pr. OX 등 최소 4개 반응기 필요 높은 반응온도로 연속운전 안정성 확보 난이 Fuel Gas 조건이 제한적(H 2 : 70% 이상, CO < 10 ppm) Stack기술의 미완성 Stack의 운전온도가 높음(800~1000℃) 고온소재기술 및 운전온도 낮추는 연구 진행 안정적인 Fuel Processor 기술 필요 열적으로 안정한 고효율 촉매기술 요구 27

8. 연료전지 시장 u 세계 연료전지 시장 예측 l 전력사업용 연료전지 : 12~22 GW(2005년부터 본격보급) l 가정용발전(RPG) : 세계 240억$(2012년 예상) l 휴대용 연료전지 : 16억$(한국 5, 600~9, 400억원) l 자동차용 연료전지 : CAA에 따라 2010년 전체자동차의 10% 2010년 FCV 60만대 예상(ABI예측), 68억$ 전력산업용 연료전지 세계시장 예측(ABI) 28

8. 1. 연료지 용도별 및 세계시장 전 국내 예측 용도 중앙집중형 발전 분산 발전 형 수송용 동력원 이동용 전원 2012 년(백만불 ) 국내 세계 550 (KEPCO, 1% share) 12, 000 ∼ 24, 000 (ABI) 50 24, 000 (BCI, 20% share) 230 (현대차) 6, 800 (5% share) 800 (Merrill Lynch ) 12, 000 (출처차세 성장동력 , 2003. 8. 22) : 대 추진계획 29

8. 2. 차세 성장동력 따른 전지 시장 대 추진계획에 연료 l 기후변화 대응 기술력 이산화탄소 저감 협약 확보 발생량 l SOx, NOx 등도심 요인 공해 발생 저감을 통한 개선 효과 환경 l 2010년세계 전지 시장 연료 (400 억불 20 % 점유 : )의 80 억불 수출 및 1 만명의 창출 고용효과 l 2008년세계 3위의 연료지 기술 진입 2～ 전 보유국 l 관련산업의 기술 파급효과 기 적 대 l NT 분야 소재 기술 등 부문의 향상 l System engineering 에의한 plant 설계 향상 기술 l 고품질 전력공급에 의한 반도체 등초정밀가공공정의 부 가가치 제고 l 고성능전원 활용에 군사 현대화 이동 의한 장비의 30

8. 3. 국가별 연료전지 보급 계획 u 미국 : 전력사업용, 수송용 및 군수용 등 분야별로 국가 주도 l l u 일본 : 실용화에 미국 추월 노력 l l l u 전력산업용 : Vision 21, 연료전지자동차: PNGV, 이동전원: DARPA 연구비 : $144. 4백만(2003) PEMFC, SOFC, PAFC 등 주요기술 선두 자동차용 및 가정용 상용화 단계 자동차용 : CAA에 따라 2003년부터 무공해차 도입 New Sunshine Program(연구비: $188백만) PEMFC 10개년 개발보급계획 착수 자동차용 : 2003년 시판 가정용 : 2004~2005년 실용화(2010년 1. 2 GW 보급목표) 건물용 : 2010년 0. 9 GW 보급목표(30~50 k. W규모) 유럽 : 건물난방겸용 RPG 우선추진 l l Joule Program : 연구비: $27. 8백만(1999~2002) 시스템기술 중점개발 31

Production Feedstock/Process Options Water: Photolytic Production l l Supply: Unlimited Central Production Utilizing Photosynthetic Organisms (Algae) § § § l Cost: Current ~$200/kg Projected: <$5. 00/kg Requires breakthroughs in biotechnology and systems engineering Land area requirements or ocean operations Central or Distributed Direct Photoelectrochemical Production § § Cost: Current: N/A Projected: <$3. 00/kg Requires breakthroughs in materials Intermittent: diurnal cycle The ultimate system if successful: renewable, unlimited, simple 32

Production Feedstock/Process Options Coal l l Supply: 5, 780 Quads recoverable reserves Process options: central production from gasification Cost: Current: $0. 90 -1. 80/kg Projected: $0. 50 -1. 10/kg Requires sequestration and near-zero other emissions 33

Production Feedstock/Process Options Natural Gas l Supply: § § l 188 Quads proven reserves Currently importing 15% of our needs Process Options § Central Reforming − − − § Cost: Current: $0. 60 -1. 00/kg Requires sequestration Lowest cost current route Projected: $0. 40 -$0. 90/kg Distributed Reforming − − Cost: Current: $4. 00 -$6. 00/kg Projected: $1. 50 -$3. 00/kg Lowest cost current route for delivered hydrogen Very sensitive to NG price GHG emissions unavoidable 34

Production Feedstock/Process Options Biomass l Supply § § l l 6 -10 Quads/yr. currently possible Could be much more with biotech advancements Feedstock Cost and Infrastructure are Key Issues Central Production Process Options § Gasification § § Projected: $1. 00 -$3. 00/kg Fermentation § § Cost: Current $2. 00 -$4. 00/kg Relatively unexplored Anaerobic Fermentation § § Methane Hydrogen Agriculture, MSW or industrial sites Existing biomass “collection” infrastructure Co-Gen power and hydrogen possible Sensitive to scale of operations and required distribution infrastructure 35

Production Feedstock/Process Options Biomass l Central/Distributed Process Options § § Trades hydrogen delivery costs for liquid carrier costs plus reforming Fermentation Ethanol Hydrogen § § § Fungible transition from ethanol fuel Cost ? ? Gasification Syngas Methanol (Ethanol) Hydrogen Pyrolysis Bio-Oil Hydrogen Sugar Hydrogenation Sugar Polyols (e. g. , Sorbitol) Hydrogen 36

Production Feedstock/Process Options Water: Electrolysis l Distributed and central production l Requires non-GHG emitting clean power: wind, solar, geothermal, hydroelectric, nuclear, fossil with sequestration l Supply: § § Essentially unlimited Need purified water 37

Production Feedstock/Process Options Distributed Electrolysis l l l Cost: Current: $4. 00 -$8. 00/kg Projected: $2. 50 -4. 50/kg Electricity cost is the driver/controlling Eliminates hydrogen delivery costs and infrastructure Central Electrolysis l l l Cost: need better analysis Enables more efficient use of intermittent renewables Enables more efficient use of off peak power availability High temperature steam electrolysis may be more efficient Requires hydrogen delivery 38

Production Feedstock/Process Options High Temperature Thermochemical Water Splitting l Process Options § § § l l High temperature (500 -1000 C) central production utilizing advanced nuclear energy heat source (or other source) and S-I or Ca. Br (or other) cycles Ultra-high temperature (1000 -3000 C) water splitting chemical cycles utilizing concentrated solar energy Direct water splitting Unproven Chemical Cycles Materials Issues 39

Summary $/kg Current $/kg Projected %EE WTP 1 GHG WTW Reduc. 1, 2 $0. 90 -1. 80 $0. 50 -1. 10 _ High W/Sequest. _ _ _ Low-Medium NG: Central Reforming $0. 60 -1. 00 $0. 40 -0. 90 62% 61% NG: Distributed Reforming $4. 00 -6. 00 $1. 50 -3. 00 60% High Biomass: Central Gasification $2. 00 -4. 00 $1. 00 -$3. 00 _ High Biomass: Central Fermentation _ _ _ High Biomass: Central Ferm. /Methane/Hydrogen _ _ _ High Biomass: C/D Gasification/Methanol or Ethanol/Hydrogen _ _ _ High Biomass: C/D Pyrolysis _ _ _ High Biomass: C/D Ferm. /Ethanol/Hydrogen _ <$3. 00 Biomass: C/D Sugar Hydrogenation/Polyols/Hydrogen _ _ Route Coal: Central Gasification Coal: C/D Gasification/Reforming 41% Total 92% Fossil _ 98% High 40

Summary Route Water: Electrolysis: Distributed $/kg Current $/kg Projected $4. 00 -8. 00 $2. 50 -4. 50 % EE WTP 1 28% Grid 68% Renew. GHG WTW Reduc. 1, 2 (22%) Grid ~100% Renew. _ _ Low: Grid High: Renew. ~$200 <$5. 00 _ High Water: Central or Distributed Photolytic: Photoelectrochemical _ <$3. 00 _ High Water: Central HT Splitting Chemical Cycles _ <$2. 00 _ High Water: Central U-HT Splitting Chemical Cycles _ _ _ High Water: Direct Water Splitting _ _ _ High Water: Electrolysis: Central Water: Central Photolytic: Organisms (e. g. algae) 1. 2. The estimates, except for the distributed water electrolysis case using renewable electricity, are from “Guidance for Transportation Technologies: Fuel Choice for Fuel Cell Vehicles, Final Report prepared by Arthur D. Little for U. S. Department of Energy, February 6, 2002, http: //www-db. research. anl. gov/db 1/cartech/document/DDD/192. pdf. The distributed water electrolysis estimates are from Wang, M. , “Fuel Choices for Fuel-Cell Vehicles: Well-to Wheels Energy and Emissions Impacts, ” Journal of Power Sources, 112(1): 307 -321, October 2002. GHG well-to-wheels reduction is the reduction of GHG emissions as compared to the emissions from standard/today’s gasoline 41 ICE.

Production Strategies/Creating Options − − − Multiple feedstocks End Game • Coal with sequestration • Renewable feedstocks: biomass and derivatives, water • Renewable/non-carbon emitting energy use: biomass, wind, solar, nuclear, hydro, geothermal • Central and distributed production are likely Transition • Distributed production (NG, electrolysis, biomass derivatives) • Brownfield central production expansions • Greenfield central production as risk is reduced 42

Potential Scenarios Short Term − − − Distributed: NG, Liquids (including biomass derivatives), Electrolysis Central NG, Coal and Biomass Renewable Power: Wind, Solar, Hydro, Geothermal Central Coal with Sequestration Photolytic: Photoelectrochemical, Photosynthetic organisms Thermochemical Water Splitting Nuclear, Solar, Other Long Term 43