연료 전지 란 | 1 수소연료전지란 무엇인가? 15287 좋은 평가 이 답변

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수소연료전지란 무엇인가

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기술·제품 – 연료전지란 – 연료전지 원리

기술·제품. 연료전지란 … 연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 이용하여 전기를 생산하는 친환경 수소 발전 기술 입니다. … c 2022 두산퓨얼셀(주).

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Source: www.doosanfuelcell.com

Date Published: 12/18/2022

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연료전지 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전

연료전지(燃料電池, Fuel Cell)란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. 이 화학 반응은 촉매층내에서 촉매에 의하여 이루어 …

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Source: ko.wikipedia.org

Date Published: 9/30/2022

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연료전지란? | (주)엘케이에너지

연료전지는 수소와 (공기중의)산소의 화학적 반응을 통해 에너지를 생성하며, 유해물질(SOx, NOx 등)을 전혀 배출하지 않는 대표적인 친환경 에너지원으로 국토가 좁은 …

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Source: www.lke.kr

Date Published: 12/18/2022

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연료전지란? | 저탄소 녹색에너지 | 환경/청소 | 분야별정보

강동구청,연료전지란? 연료전지의 원리는 무엇인가요? 연료전지는 수소와 산소의 반응을 이용하여 전기를 생산하는 발전기술입니다 수소 양이온이 산소반응극에서 산소 …

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Source: www.gangdong.go.kr

Date Published: 10/24/2021

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14. 연료 전지란 무엇인가 – 네이버 블로그

14. 연료 전지란 무엇인가? … 발전 설비 중 하나입니다. … 반응을 일으키게 하면 발전합니다. 이런 화학구조를 이용한 것을 “연료 전지”라고 합니다. 연료 …

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Source: m.blog.naver.com

Date Published: 11/18/2021

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연료전지란? 1 페이지 | (주)엠필드코리아

연료전지의 기본원리는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것을 역이용하여 수소와 산소에서 전기에너지를 얻는 것 입니다. 연료전지는 중간에 발전기와 같은 …

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Source: www.m-field.kr

Date Published: 12/8/2021

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연료전지의 원리 – 호라이즌퓨얼셀코리아

수소 이온은 공기극의 산소와 결합하여 물이 되며, 이 양극 사이의 전위차에 의하여 전류가 발생합니다. 연료전지의 종류 719.JPG.

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Source: www.horizonfuelcell.co.kr

Date Published: 4/5/2021

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[수소] 수소연료전지의 원리와 장점

1990년대 이후에는 온실가스 감축효과로 주목받는 친환경고효율 에너지원이다. 수소연료전지의 원리 수소연료전지는 산소와 수소의 전기화학반응..

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Source: thecce.kr

Date Published: 2/22/2021

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연료전지 개요와 현황 – 국가기후기술정보시스템

연료전지의 음극(연료극)에서는 촉매에 의한 수소의 산화반응이 일어나고 그 … 연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), …

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Source: www.ctis.re.kr

Date Published: 12/18/2021

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1  수소연료전지란 무엇인가?
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주제에 대한 기사 평가 연료 전지 란

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  • Date Published: 2021. 6. 28.
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연료전지 원리

연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 이용하여 전기를 생산하는 친환경 수소 발전 기술 입니다.

A_연료극 (ANODE) 수소는 연료극으로 투입되어

촉매에 의해

수소양이온과 전자로 분리됨

B_전해질 (ELECTROLYTE) 이온만 통과시키는 물질로

수소 이온은 연료극에서

전해질을 통과하여

공기극으로 이동

C_공기극 (CATHODE) 전해질을 통과한 수소양이온과

공기극으로 투입된 산소가

촉매에 의해 서로 결합해 물이 생성

위키백과, 우리 모두의 백과사전

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 ]

연료전지란?

연료전지는 신·재생에너지 중 신에너지 분야의 선두격인 시스템입니다.

연료전지는 수소와 (공기중의)산소의 화학적 반응을 통해 에너지를 생성하며, 유해물질(SOx, NOx 등)을 전혀 배출하지 않는 대표적인 친환경 에너지원으로 국토가 좁은 우리나라에서는 앞으로 발전 가능성이 큰 에너지 기술입니다.

시스템 구성

연료전지 시스템은 도시가스 등의 연료를 개질기를 통해 수소로 변환시켜, (공기중의) 산소와 함께 스택(stack)으로 공급, 화학반응으로 전기 및 열 에너지를 생산합니다. 또한 연료전지 스택에서 생성된 직류 전력은 전력변환장치를 통해 최종적으로 220V/380V, 60Hz의 교류 전력으로 변환되며 종합효율 90% 이상의 고효율 발전 시스템입니다. 1. 연료처리장치(개질기) | 연료(도시가스, LNG 등)를 수소로 변환하는 장치 2. 스택 | 수소와 (공기 중)산소를 이용하여 전기 및 열을 발생시키는 장치 3. 전력변환기(인버터) | 스택에서 발생되는 직류전력을 교류전력으로 변환하는 장치

연료전지 응용분야

연료전지는 휴대전원용, 자동차용, 건물용, 발전용까지 모든 발전장치에 응용됩니다.

특히 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 가장 상용화된 연료전지로서 25~80℃에서 동작함으로 안전한 운전이 가능하여 건물용에 최적화된 형식입니다. 구분 DMFC PEMFC PAFC MCFC SOFC 전해질 고분자 고분자 인산 융융탄삼염 고체산화물 동작온도 25~80℃ 25~80℃ 200℃ 650℃ 600~1000℃

연료전지 시스템의 장점 및 도입효과

연료전지 시스템은 저탄소 녹색성장 산업의 대표적인 제품으로서 화학발전 및 상용보일러 대비 약 31%의 1차 에너지 소비량 감소 효과와 약 45%의 이산화탄소 배출량 저감 효과를 가집니다.

타 신·재생에너지 비교

14. 연료 전지란 무엇인가

14. 연료 전지란 무엇인가?

연료 전지는 물의 전기 분해와 반대의 반응을 발생시킴으로써 전기를 생산할 수 있는

발전 설비 중 하나입니다.

물을 전기 분해하면 수소와 산소를 만들어냅니다 만, 그것과는 반대로 수소와 산소가 화학

반응을 일으키게 하면 발전합니다. 이런 화학구조를 이용한 것을 “연료 전지”라고 합니다.

연료 전지에 공급 된 수소는 공기 중의 산소와 반응하여 열과 물을 발생시킵니다.

또한 전해질에서 양극 과 음극 이온이 분리하여 전기를 동시에 생산할 수 있습니다.

연료 전지는 수소와 산소를 이용한 발전 시설이며, 연료로 수소를 사용합니다. 연료 전지에

순수 ‘수소’만을 공급할 수 있으면 전력을 생산할 때 배출되는 것은 “열” 과 “물” 뿐입니다.

휘발유 나 경유 등의 화석 연료를 연소시키는 구동 방식에 비해 배출하는 유해 가스에

큰 차이가 깨끗한 발전 설비로서 기대되고 있습니다.

종래부터 사용되고 있는 발전 설비에 설치되어있는 것 같은 “엔진”과 “터빈” 이라는 기구가 존재

하지 않기 때문에 진동과 소음을 작게 억제 할 수 있다는 특징도 있습니다.

이러한 연료 전지는 환경에 유해한 물질을 발생시키지 않는 청정 발전 설비로 향후 연구 개발이

기대되고 있습니다.

최근 연료 전지 뉴스 발췌 (2016년 2월 )

연료 전지의 종류와 특징

연료 전지는 「고체 고분자형 (PEFC)」 「인산형 (PAFC)」 「용융 탄산염 형 (MCFC)」

「고체 산화물 (SOFC)」의 4 종류가 있습니다. 가정용으로 사용되는 연료 전지는 고체 고분자형이며,

운전 온도는 비교적 저온 인 80℃ 전후, 효율 40 % 정도, 용량규모는 수W에서 수백 W입니다.

업무용과 산업용으로 사용되는 연료 전지는 인산형 연료 전지이며, 운전 온도는 200℃ 전후

효율은 가정용과 거의 동등한 40% 정도 용량규모는 50kW에서 1,000kW의 대용량화 되어 있습니다.

용융 탄산염 형 연료 전지와 고체 산화물 연료 전지는 연구 개발단계이며 가정· 업무용으로

보급되어 있지 않은 것이 현실입니다. (2009 년 9 월 현재)

연료 전지 설비의 주요 구성 기기는 LP 가스 등에서 수소를 추출 연료 처리 장치, 연료 전지와

공기를 반응시켜 전기를 만드는 장치입니다. 발전된 직류 전력을 교류로 변환하고, 또한 전원을

안정화시키는 파워 컨디셔너와 폐 열을 회수하는 장치 등으로 구성되어 있습니다.

고체 고분자 형 (PEFC)

도시 가스 및 LPG를 주원료로 한 연료 전지에서 수소를 작동기체로 하고 있습니다.

상온 ~ 90℃의 비교적 낮은 온도에서 작동하는 연료 전지에서 50kW 이하의 소규모 시스템에

사용됩니다. 자동차 나 가정용 연료 전지로서 실용화 되어있는 시스템입니다.

상온에서 작동시킬 수 있는 것이 가장 큰 장점이며, 가정용 전기 기기로서 안전한 시스템을

짤 수 있습니다. 네팜(1)의 시스템으로는 PEFC와 SOFC의 두 종류가 보급되어 있으며, PEFC는

효율이 약간 낮은 것이지만 폐열 회수 효율이 높은 것으로 되어 있습니다. 또한 PEFC는

“열을 우선 전력 제어하지 않습니다.” 는 생각이므로, 가정용 에너지 FARM의 운용 방법에

적합하다고 되어 있습니다.

(1) 네팜 (ENE · FARM) 은 가정용 연료 전지 열 병합 발전 시스템의 애칭입니다. 2008 년6 월에 연료 전지 실용화 추진 협의회

(FCCJ)가 가정용 연료 전지의 인지도 향상을 추진하기 위한 노력으로 통일된 명칭을 결정했습니다.

발전이 아니라 어디 까지나 절전을 목적으로 개발 된 것 입니다.

인산 형 (PAFC)

PEFC와 같이 도시 가스 및 LPG를 주원료로 한 연료 전지에서 수소를 작동 기체하고 있습니다.

작동 온도가 비교적 높고 200℃ 정도를 나타냅니다. 1,000kW 이하의 중 규모 시스템에 채용

됩니다. 업무용 산업용으로 개발 된 시스템입니다.

용융 탄산염 형 (MCFC)

도시 가스 및 LPG, 석탄을 주원료로 한 연료 전지에서 수소 · 일산화탄소를 작동 기체하고

있습니다. 작동 온도는 높고 650℃ 정도입니다. 10,000 ~ 100,000kW의 대규모 시스템 용으로

개발이 진행되고 있으며, 메가 와트 급의 대규모 시스템 구축을 위한 연구가 진행되고 있습니다.

고체 산화물 형 (SOFC)

MCFC와 같이 도시 가스 및 LPG, 석탄을 주원료로 한 연료 전지에서 수소 · 일산화탄소를

작동 기체하고 있습니다. 작동 온도는 가장 높은 700~ 1,000℃의 고온에서 작동하는 것입니다.

MCFC와 마찬가지로 10,000 ~ 100,000kW의 대규모 시스템으로 연구 개발이 진행되고 있습니다.

SOFC는 네팜의 시스템으로 개발이 진행되어 제품화되고 PEFC와 비교되는 점이 많은 시스템이

되었습니다. SOFC는 발전 효율이 높다는 장점이 있지만, 자주 온 오프 할 수 없다는 특징이

있습니다. 24 시간 연속 운전하는 동작의 성질에서 “전력의 발생을 우선하여 열을 제어하지

않는다.” 는 점 입니다.

열효율보다 전력 효율을 우선하고 있기 때문에 가정용으로 사용하는 경우, 열을 다 사용할

수 있는지가 문제입니다. 고온에서 작동하는 특성상 24 시간 상시 통전 시켜야 하며 유지

보수 시를 제외하고 전원을 끌 수 없다는 점에도 주의가 필요합니다.

발전 전력의 특징

연료 전지에 의해 만들어지는 전력은 직류입니다. 국내에서 유통되고 있는 전기 기기는 대부분

이 교류에 의한 전원 공급이 필요한 제품이며, 전력 회사에서 공급되는 전력도 교류입니다.

연료 전지로 발전한 전력을 그대로 가정용 또는 상업용 전력으로 사용할 수 없습니다.

이를 해결하기 위해 연료 전지의 패키지에 인버터를 내장하고 전력의 교직 변환합니다.

이를 전력 회사에서 공급되는 전력과 혼합시킵니다.

“계통 연계”에 의해 연결하면 일반 가용 전력으로 활용할 수 있습니다.

건전지와 연료 전지의 차이

전기를 저장하는 전지는 한 번만 사용 됩니다.

[1차 전지]나, 반복 충 방전이 가능한 [2차 전지], 건전지 나 축전지, 리튬 이온 배터리로

제품화되어 보급되고 있습니다.

이에 대해 수소와 산소를 공급하고 내부 반응에 의해 전기를 생산할 수 있는 연료 전지는

화학 반응에 의해 전력을 만들어내는 “전지”라는 명칭으로 둘러싸인 있지만 새로운 시설의

하나입니다.

기존의 발전 방식과 연료 전지의 비교

기존의 발전 설비는 연료를 연소시켜 터빈을 회전시켜 회전 터빈에서 전력을 얻는다는 행정이

있습니다. 석탄과 석유 등을 정제 한 연료를 연소 시키거나 원자력에 의한 반응을 이용하는

등 외부에서 에너지 도입이 필요하지만 연료 전지에 의한 발전은 연료의 화학 반응에 의해

발전하는 시스템이므로 터빈 회전을 거치지 않고 직접 전기 에너지로 변환 할 수 있습니다.

연료 전지는 규모에 따라 효율이 변하지 않는 것이 큰 특징입니다. 터빈의 회전에 의한 발전

설비는 커질수록 효율이 향상하는 특성이 있어, 소형 발전기는 효율이 저하되고

Cost Performance가 나빠집니다. 그러나 연료 전지는 소형에서 대형으로 효율이 일정하기 때문에

가정이나 소규모 업무용 등 작은 규모의 연료 전지를 필요로 하는 경우에도 Cost Performance를

억제 할 수 있습니다

.

폐열 이용에 따른 효율 향상

연료 전지 발전 설비는 전기의 생성 외에 수소와 산소의 반응에 의해 열을 얻을 수 있습니다.

이 폐 열을 회수하여 열을 재사용 할 수 있습니다. 열 병합 발전 시스템 (cogeneration system)

으로 운용하는 것이 가능합니다. 급탕 이나 난방에 열교환을 시키면 급탕 부하 난방부하를 줄일

수 있습니다.

연료 전지 본체로 발전하고, 부수적으로 폐 열을 이용하여 발전기의 터빈을 돌리면 복합 사이클

발전 (combined cycle power generation)으로 운용 할 수 있습니다.

수소 인프라의 필요성

연료 전지를 널리 보급하기 위해서는 수소를 공급하는 구조를 구축하는 것이 전제입니다.

국내에 정비 된 인프라로서 수소 단체를 공급하는 시스템은 확립되어 있지 않습니다. 수소를

단독으로 공급하지 못하는 이상, 수소를 발생시키는 대체 연료로부터 수소를 추출해야 하지만,

여기에는 도시 가스 등의 가스가 유력 자원 이라고 알려져 있습니다.

천연 가스에 포함 된 메탄을 연료에 대해 “개질”이라는 행정을 거쳐 수소를 발생시키는 방법이

공업 용도로 이미 실용화되고 있습니다. 천연 가스는 이미 인프라가 충분히 정비되어있어 쉽게

사용할 수 있습니다. 이것을 가정에 활용하는 제품을 각 메이커가 개발하고 있습니다.

현재 연료 전지용 수소를 내는 것에는 천연 가스에서 수소를 꺼내기 위한 장치를 새롭게 마련

할 필요가 있고, 수소의 안정공급 과 안정적인 수송이 과제가 되고 있습니다.

수소와 산소의 반응 만 한다면, 전기, 물, 열을 발생시킬 수 있는 가장 “깨끗한 발전 설비」

이지만, 수소를 정제하는 행정에서는 CO 나 CO2 등 환경에 악영향을 미치는 물질이 방출됩니다.

이것을 어떻게 줄이는 것인가가 연료 전지를 알 수 있는 중요한 요소입니다.

연료 전지 탑재 차량 (FCV)의 사례와 특징

가솔린이나 경유를 연소시켜 구동하는 자동차에서 전기 에너지를 주로 하는 전기 자동차,

둘 다 탑재하는 하이브리드 자동차 등 다양한 연료 자원의 자동차가 보급되어 있지만,

연료 전지를 탑재 한 ‘FCV(fuel cell vehicle) “라는 자동차 생산이 시작되고 있습니다.

연료 전지 자동차는 수소와 산소의 화학 반응에 의해 발생한 전기 에너지로 모터를 회전

시킵니다. 연료로는 수소가 사용되고 있지만 순수한 수소 보관 및 운반이 어렵기 때문에 차량

내부에 “수소 이외의 연료에서 수소를 추출」 이라고 하는 기능을 가지는 “개질기”을 탑재하고

자동차에서 수소를 정제하면서 달린다는 시스템도 연구되고 있습니다.

순수한 수소로 구동하는 연료 전지 자동차 인 경우 차량에서 배출되는 것은 물 뿐이며

이것은 수증기로 배출됩니다. 화석 연료를 연소시켜 주행하는 자동차 배기 가스로 이산화탄소와

일산화탄소, 탄화수소 등 유해 물질이 많이 포함되어 있어 환경에 미치는 영향이 우려되지만

연료 전지 자동차는 유해 물질 배출이 원칙적으로 없습니다. 그러나 천연가스 나 에탄올,

가솔린 차량에서 개질 시스템에서는 정제 과정에서 유해 물질을 포함 할 수 있습니다.

일본 전기 자동차의 사례와 수소 스테이션 정비 상황

일본 내 에서는 도요타 사가 “MIRAI”라는 명칭으로 2014 년 12 월 양산 형 연료 전지

자동차를 판매했습니다.

연료 전지 자동차를 안정적으로 가동시키기 위해 주유소와 마찬가지로 사용자가 연료를

간편하게 할 수 있는 장소를 마련하여야 합니다. 주유소의 대안으로 ‘수소 스테이션’

으로 불리는 연료 보급 장소의 정비가​​ 진행되고 있습니다.

2015 년 현재 수소 스테이션은 관동 권 에서는 「도쿄」「치바」「사이타마」「가나가와」에 설치

되어 있으며, 도요타 본사가 있는 “아이지”그 부근에서는 「기후」 「미에」 「사가」에 정비 되어

있습니다. 그 외 「교토」「오사카」「효고」「도쿠시마」「야마구치」「후쿠오카」「사가」「오이타」

등 많은 현 청 소재지에서 수소 스테이션의 정비가​​ 진행되고 있습니다.

도요타 MIRAI는 메이커 카탈로그 값으로 1 회 충전으로 650km의 주행이 가능 발표하고

있습니다. 도요타 사의 발표는 수소 스테이션의 사양에 따라 1 회 수소 충전으로 이루어지는

충전 량이 다르기 때문에 주행 거리가 다르다고도 발표하고 있으며, 새로운 규격의

수소 스테이션은 700km까지나 된다고 합니다.

그러나 홋카이도와 동북 지방에 수소 스테이션이 2015 년 시점에서 존재하지 않고, 관동에서

홋카이도 방면으로 연료 전지 자동차로 가는 것은 어렵습니다. 홋카이도에서는 “무로” 란 시가

가장 먼저 연료 전지 자동차에 연료 보급이 가능한 수소 스테이션 설치를 검토하고 있으며,

국​​가의 보조금 대상 사업으로 향후 널리 수소 스테이션의 정비가​​ 진행될 것으로 생각됩니다.

다음은 2016년2월17일 한국경제 기사 내용입니다.

한랭 지 에서의 연료 전지 자동차의 이용

연료 전지 자동차는 수소를 포함 ‘물’의 존재감이 강한 것이지만, 도요타 MIRAI에서는 1 시간의

운전에서 발생하는 수량은 60cc 정도하고 노면을 동결시킬 정도는 아니기 때문에, 한랭 지 에서

의 이용도 문제 없다고 라고 말 하고 있습니다. 일정 시간 탱크에 모아 임의로 방출하는 기능도

탑재하고 있어 항상 물을 방류하면서 주행 하지는 않다고 되어 있습니다.

가정용 연료 전지 시스템

가정용으로 소형 연료 전지 발전 설비를 설치하고, 상용 전원과 계통 연계하는 방법이 보급

되기 시작하고 있습니다. 도시 가스를 연료 전지에 연결하여 발전을 하면서 열을 만들어냅니다.

가정용 연료 전지의 경우 연료 전지에서 만들어지는 「열」과 「전기」의 어느 쪽을 우선 할

것인가 하는 판단은 기본적으로 “열”을 우선 하게 됩니다.

요리를 하는 시간이나 목욕을 끓이는 시간에 필요한 열 함께 전력을 만들어 사용하는 스타일이

되기 때문에 전력 발생 시간과 전력량은 제어되지 않습니다. 열 이용에 따라 발생하는 제어

되지 않은 전력은 전기를 많이 쓰는 시간이면 그것을 충당되고 사용 한고 남은 전력은

전력 회사에 판매 할 수 있습니다.

열 사용 부하가 비교적 대용량 이지 않으면, 연료 전지를 채용하는 장점이별로 없습니다.

예를 들어, 바닥 난방, 에어컨, 온수기 등 많은 열 부하를 필요로 하는 주택이면 큰 메리트를

얻는 것이 가능합니다.

네팜이란

가정용 연료 전지 시스템은 네팜이라는 명칭으로 통일되어 있습니다. 네팜은 “연료 전지”의

유닛과 “저 탕조”장치가 일체화 된 시스템이며, 「도시 가스를 공급하고 수소를 만들어 수소와

산소의 화학 반응에 의해 전기와 열이 만들어지고, 열에 의해 물을 끓인다. ” 이라는 일련의

행정을 패키지화 한 것입니다.

네팜에는 연료 전지 유닛과 저 탕조 유닛을 잇는 ‘열 회수 장치 “가 설치되어 있으며, 발생하는

열을 회수하여 약 60℃의 온수를 생성하고 저탕 탱크에 물을 저장합니다. 만들어진 물은

급탕이나 난방에 이용할 수 있으므로, 이를 통해 일반 가정의 전력의 60% 전후를 네팜으로

충당 할 수 있다고 알려져 있습니다.

네팜의 부가가치로 도입 가스 회사의 계약절차를 통해 할인을 받을 수 있으며, 광열비를

절약 할 수 있는 가능성이 있습니다. 연료 전지로 전력 공급을 할 수 있기 때문에 전력 회사

에서 구입 전력량을 줄일 수 있습니다.

가정용 연료 전지는 연료 전지의 종류로 「고체 고분자 형 (PEFC)」가 채용되고 있으며, 도시

가스를 연료로 구동합니다. 도시 가스의 연소에 의해 전기와 온수를 동시에 만들고 전기는

가정 내 조명과 에어컨의 전력으로 사용되고, 물은 목욕이나 샤워, 부엌, 각종 난방기구에

공급됩니다. 도시 가스의 연소에 의해 전기를 만들어내는 경우의 효율은 40% 정도이지만,

폐열 회수를 수반하는 경우는 50 % 정도까지 효율이 향상됩니다.

네팜의 자립 운전

네팜은 전력 회사의 전력을 이용하여 가스에서 수소와 산소를 꺼내 반응시켜 발전하고 있지만,

전력 회사에서 공급이 끊기면 발전 할 수 없습니다.

내장 배터리에서 전원 공급 방법과 자립 운전 전환 장치가 개발되어 전력 회사로부터의 전원

공급 없이 운전하는 「자립 운전 ‘이 가능한 제품이 판매되고 있습니다.

자립 운전이 없는 기종 은 비용 상승이 되긴 하지만 비상 전원으로 할 수 있기 때문에 방재

설비로 사용할 수 있습니다.

일반적으로 네팜은 전력 회사의 전기 계통에 연계하는 전력 회사로부터의 전원 공급이 중단

된 경우, 발전 기능을 중지하지 않으면 안됩니다. 일반적으로 비상 전원으로의 기능은 가지고

있지 않지만, 자립 운전 가능한 제품도 판매되고 있습니다.

전력 회사에서 공급이 끊긴 경우 자동으로 전력 계통에 연결을 차단하는 보호 장치를 통합하여

연료 전지에서 일정량의 전력을 공급할 수 있습니다.

그러나 자립 운전으로 동작하는 전원은 집안의 조명과 에어컨 콘센트를 그대로 사용할 수 있게

되는 것은 아니라 자립 운전 전용 콘센트에만 작동합니다.

자립 운전으로 건물의 전력을 그대로 사용할 수 있는 것은 아니므로 주의가 필요합니다.

자립 운전 꺼낼 수 있는 전력은 작고 대략 300W 정도입니다. 드라이어와 에어컨 등 큰 전력을

필요로 하는 부하 운전은 할 수없이 네팜 이 비상 정지 해 버리기 때문에, 최대 사용 전력을

확인하고 그 범위 내에서의 이용하여야 합니다.

전력은 축전지로부터 일정 시간 전원 공급을 하는 것이나, 도시 가스를 연소시키는 방식 등이

있습니다. 또한 도시 가스의 연소에 의해 자립 운전을 할 기종은 정전 시 가스 공급이 중단되지

않았는지가 운전 조건입니다.

네팜 도입의 단점

연료 전지 도입의 단점으로 도입 비용 부담이 커질 요소가 몇 가지 있습니다. 예를 들어,

연료 전지는 발전의 폐 열을 이용하여 물을 가열하는 방식이기 때문에 온수 탱크가 필요합니다.

저탕 탱크는 장기간의 물 저장하여 물때가 쌓여 비 위생적이 되기 때문에 정기적 인 청소가

필요 합니다. 저 탕조는 설치 비용이 높고, 러닝 코스트에 의해 원가 상각 한다는 생각은

매우 곤란하다고 말할 수 있습니다.

네팜은 발전 설비로 운용되는 것이므로, 태양광 발전 설비를 설치 한 경우의 잉여 전력 매입에

서 더블 발전에 의한 발전량이 올라가기 때문에 매입 가격의 일정한 감소가 적용됩니다.

태양광 발전을 설치하는 경우에는 상각 기간이 길어져 버릴 가능성이 있어, 이쪽에도 주의가

필요합니다.

연료전지란? 1 페이지

How Fuel Cell Works?

l 에너지문제와 온난화를 해결하기 위한 유일한 솔루션

우리는 미래의 에너지 문제와 공해문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 대안으로 ‘연료전지’를 제안합니다. 연료전지의 기본원리는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것을 역이용하여 수소와 산소에서 전기에너지를 얻는 것 입니다. 연료전지는 중간에 발전기와 같은 장치를 사용하지 않고, 수소와 산소의 반응에 의해 전기를 직접 생산하기 때문에 발전효율이 매우 높은것이 특징입니다. 연료전지에 의한 발전의 매커니즘은 ‘물이 전기분해’ 되는 역방향으로 진행됩니다. 즉, 물의 전기분해에서는 물에 전기를 흐르게 하면 수소와 산소가 발생하지만, 연료전지에서는 수소와 산소를 반응시켜 전기를 발생시키는 것 입니다. 이 반응으로 배출되는 것은 오로지 ‘물’ 뿐입니다.

연료전지의 원리 호라이즌퓨얼셀코리아의 자료를 인용하였습니다. 호라이즌퓨얼셀코리아의 자료를 인용하였습니다.

연료전지는 발전장치의 규모가 매우 컴팩트하기 때문에 소규모로 여러곳에서 분산발전 또한 가능합니다. 20MW 규모의 발전소를 건설하는데 필요한 토지는 불과 1,000평 밖에 필요치 않습니다. 태양광과 비교한다면 1/20 크기보다도 적은 공간을 차지하는 것이죠. 이것은 송전비용을 줄여주는 장점을 제공합니다. 뿐만아니라, 사용 원료가 고갈될 염려도 없다는 것이 연료전지의 큰 장점 중 하나입니다.

우주에서 가장 많은 물질은 ‘수소’입니다.

온 우주에서 가장 많은 물질로 이루어진 것은 바로 수소입니다. 수소는 가장 가벼운 원소로써 모든 탄화수소계열의 연료에 들어 있으며 우리는 물로부터 수소를 얻어낼 수 있습니다. 수소는 운반과 저장이 용이하며, 배터리와 같이 에너지의 자연방전률이 없습니다. 이 때문에 차세대 연료로써 수소에 집중하는 연구분야가 늘어나고 있으며, 수소의 생산, 저장 및 운반에 대한 기술이 날로 발전하고 있는 것입니다. 연료전지가 전기를 생산한 후 발생하는 물질은 오직 ‘물’뿐이므로 공해가 전혀 없다는 장점이 있습니다. 연료전지의 음극은 대기로부터 산소분자를 반응하는 반면 양극은 수소분자를 이온상태로 분리하여 전자를 방출합니다. 수소이온은 멤브레인을 통해 산소이온과 반응하여 물을 형성하는 구조입니다.

PEMFC는 수송용, 발전용, 이동형발전기 등에 사용됩니다.

엠필드가 사용하는 PEMFC의 구조는 아래와 같습니다. PEMFC는 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell 또는 Proton Exchange Membrane Fuel Cell)의 의미를 가지고 있으며, 수소이온 H를 전도할 수 있는 Nafion이라는 고분자 전해질막을 사용하고 있습니다. (Nafion이란 1960년대에 듀폰사에서 개발한 황산화 4불화에틸렌) 나피온은 비닐처럼 보이나 내부에는 많은 미세기공을 가지고 있어 수소이온과 양이온을 전도할 수 있는 특징이 있습니다.

l 싱글셀의 구조와 원리 1

PEMFC는 나피온의 막을 유지하기 위해 운전온도를 100℃ 미만이 요구되며, 전극은 촉매의 활성이 중요하여 백금(Platinum)이 사용됩니다. 여기에서 백금의 가격이 희토류로써 매우 비싸기 때문에 학계와 업계에서는 백금촉매 사용량을 줄이는 기술과 연구를 지속하고 있습니다. PEMFC는 작동온도가 낮고 시동과 부하 반응시간이 빠르게 반응해 자동차나 휴대용 전원으로 많은 개발이 이루어지고 있으며, 기술개발의 트렌드는 1kW급 이상의 파워에서 100kW 급까지 다양한 파워라인업으로 구축되고 있습니다. 엠필드와 호라이즌은 100kW급 스택을 이용한 MW 파워플랜트 솔루션을 제공하고 있습니다. 스택은 각각의 싱글셀로 구성이 되어 커런트컬렉터를 통하여 전류를 집진하는데, 그 구조는 아래와 같습니다.

l 싱글셀의 구조와 원리 2

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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[수소] 수소연료전지의 원리와 장점

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수소연료 전지는 1959년 아폴로 우주선의 동력원으로 사용되었다. 1990년대 이후에는 온실가스 감축효과로 주목받는 친환경고효율 에너지원이다.

수소연료전지의 원리

수소연료전지는 산소와 수소의 전기화학반응으로 전기와 열을 생산하는 ‘최적의 분산발전원’이다.

연료전지는 기존의 내연기관과 달리 연소를 통해 전기를 얻는 것이 아니라, 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 얻고 동시에 물과 열만을 생산한다.

배터리와 유사하게 동작을 하지만 배터리가 전기를 저장하는 장치라면 연료전지는 전기를 생산하는 발전기이다.

배터리는 내부에 저장된 화학물질을 전기로 전환시키고, 화학물질이 고갈되면 수명이 다하거나 오랜 충전시간이 필요하지만, 연료전지는 외부에서 연료를 공급받아 전기를 생산하기에 충전시간이 빠르고 연료가 허락하는 한 무한대로 전력을 생산할 수 있다.

수소연료전지 (출처 : 두산퓨얼셀)

연료의 화학적 에너지를 전기와 열에너지로 변환시키는 에너지 전환장치이며 수소와 산소를 반응시키면 전기가 생산된다.

A 연료극 (ANODE) 수소는 연료극으로 투입되어 촉매에 의해 수소양이온과

전자로 분리됨 B 전해질 (ELECTROLYTE) 이온만 통과시키는 물질로 수소 이온은 연료극에서 전해질을

통과하여 공기극으로 이동 C 공기극 (CATHODE) 전해질을 통과한 수소양이온과 공기극으로 투입된 산소가

촉매에 의해 서로 결합해 물이 생성 D 전기 (ELECTRICITY) 전자가 외부의 회로를 통해 이동하며 전기를 생성

모든 연료전지는 전해질층으로 분리된 연료극과 공기극을 가지고 있는데 연료극에서 수소가 수소 이온과 전자로 나누어진다. 전해질의 고분자 막은 수소 이온만을 통과시키고, 막 안쪽의 음극에는 전자가 남게 된다.

수소 이온은 공기극의 산소와 결합하여 물이 되고, 이 양극 사이의 전위차에 의해 전류가 발생한다.

수소연료전지의 원리

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수소 연료전지의 장점

▶ PC모니터 보다 낮은 전자파

연료전지에서 발생하는 전자파는 국내 전계 안전 기준치의 2.89% 수준, 자계 안전 기준치의 0.036% 수준이다.

▶ 낮은 소음

수소연료전지의 소음은 자동차 시동음 수준으로 일반 발전소보다 훨씬 낮은 수준이다. 35m 떨어진 곳에서 약 55dB로 자동차 시동 소음과 비슷한 수준이다.

▶ 제로 대기 오염물질

대기환경오염의 주범인 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등 유해가스 등이 수소 연료전지에서는 거의 배출되지 않는다.

대기환경기준이 세계에서 가장 엄격한 미국 캘리포니아의 인증을 받은 친환경 발전원이다.

[유해가스 배출 농도]

(단위 : /ppm)

수소연료전지 가스엔진 가스터빈 디젤 질소산화물(NOx) 1~2 100이하 42이하 1400이상 황산화물(SOx) 거의 0 250

▶ 미세먼지 제거

수소연료전지로 발전을 하면 미세먼지 문제도 해결할 수 있다. 연료전지 1MW는 성인 약 1만명 이상이 호흡할 수 있는 공기를 흡입하여 미세먼지, 초미세먼지, 불순물을 걸러 깨끗한 공기를 cell에 공급하기 때문이다.

수소연료전지가 석탄발전소를 대체함에 따라 미세먼지 발생이 감소하게 된다.

▶ 악취, 오·폐수 무배출

천연가스에서 수소를 추출할 때 악취가 난다는 것을 사실이 아니다. 또한 연료전지는 부산물로 물이 생성되며, 오폐수 배출이 없다.

▶ 안전성

원료전지 스택 내부 발전 과정에서 높은 압력과 연소반응을 필요로 하지 않기 때문에 폭발과 화재 위험이 없는 안전한 기술이다.

또한 국제기준을 넘어서는 설계 기준과 검사 및 인증을 통해 최고 수준의 안전성을 달성하였으며, 오랜 기간 상업운전으로 증명이 되었다.

(두산퓨얼셀 연료전지 기준)

Zero 3 Steps 100% > ◦ 비연소 발전 방식이기 때문에 화재 위험이 없음

◦ 상압상태로 연료를 공급·처리하며 저장되는 연료가 없어 폭발 위험성이 없음 [1단계] 가스 누출 원천 봉쇄

[2단계] 실시간 가스농도 감시

[3단계] 가스 누출시 연료전지 자동정지 시스템 ◦ 국내 안전기준 충족

◦ 미국, 캐나다 안전기준 충족

◦ 미국 환경인증 획득

▶ 높은 에너지 효율

연료전지는 기존 내연기관대비 2~3배 가량 더 효율적이다. 연료전지는 열과 전기를 모두 발생시키는데 종류에 따라 차이가 있지만 전력생산효율의 경우 30~60%선이며, 열효율까지 고려하면 총 80% 가량의 효율을 보인다.

두산퓨얼셀 연료전지 경우, 보조연료 없이 수소로만 전기와 열을 생산할 수 있는 유일한 상용화된 고효율 열병합발전기 기술을 실현하였으며, 천연가스 사용시에도 기존 발전기 대비 효율이 높다.

두산 퓨얼셀 연료전지 가스엔진 마이크로터빈 열 47% 51% 39% 전기 43% 37% 31% 90% 88% 70%

(두산퓨얼셀 연료전지 기준)

▶ 다목적성

연료전지는 용량조절이 가능하여 밀리와트에서 메가와트까지 사용 가능하므로 휴대전화부터 자동차까지 다양한 어플리케이션에 적용 가능하다.

▶ 상호보완성

연료전지는 다른 에너지 기술과 쉽게 결합 가능하다. 풍력 터빈, 태양광 판넬, 고용량 축전기 등과 결합하여 시너지 효과를 낼수 있다.

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수소 연료전지의 사회적 가치

두산퓨얼셀의 연료전지 에너지가 창출하는 사회적 가치는 1MWh 기준 약 16만원으로 산출되었다.

특히 친환경 에너지로 대기오염 개선, 온실가스 저감, 미세먼지 제거 등을 종합하면 2018년 한해 동안 약 900억원의 사회적 가치를 창출한 것으로 추산된다.

연료전지 1MWh 기준 창출되는 사회적 가치

구분 창출 가치 (원/MWh) 내용 총 창출 가치(억원/비중) 창출 111,845 ◦ 미세먼지 제거

◦ 열생산

◦ 연료전지 생태계 조성 609 68% 제거 35,969 ◦ 송배전 투자, 손실 회피

◦ 용수 사용 회피

◦ 정전손실 회피 196 22% 개선 11,628 ◦ 대기오염 개선

◦ 온실가스 저감 95 10% 합계 159,442 900

출처 : 두산 CSR보고서(2018)

수소연료전지 설치 사례

국내 여의도 파크원타워 ◦ 2 Units (총 0.9MW)

◦ 파크원 타워 지하 대산그린에너지 ◦ 114 Units (50.16MW)

◦ 세계 최초·최대부생수소연료전지 발전소 분당 수소연료전지발전소(2~5단계) ◦ 71 Units (32.24MW)

◦ 국내 최초 수소연료전지 발전소

◦ 세계 최초 복층 연료전지 발전소 해외 뉴욕 원월드트레이드센터 ◦ 6 Units (2.4MW) 산업·방송시설 ◦ 코카콜라 공장 (0.8MW)

◦ 버라이존 (8.7MW)

◦ Pratt & Whitney (미국 항공기 엔진 제조사)

◦ Aerojet(미국 로켓 및 미사일 추진 제조사)

◦ CBS방송국 교육·의료시설 ◦ 캘리포니아대학교

◦ 셀턴고등학교

◦ Saint Francis 병원

◦ St. Helena 병원 등

(두산퓨얼셀 사례)

2021/01/27 – [산업/에너지] – [수소] 세계 최초·최대 부생수소 연료전지 발전소

2021.03.22 – [산업/에너지] – [수소] 수소연료전지의 종류

2021.08.27 – [산업/에너지] – [수소] 맥킨지, ’30년 수소시장 $5000억 전망

2021.01.29 – [정책] – [수소] 대한민국 「 수소경제 로드맵 」

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