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알기 쉬운 수소이야기

#17 우리 생활 속 연료전지

      안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 연료전지 시장의 현황과 미래전망에 관하여 알아보았는데요.​오늘은 우리 생활 속 연료전지에 대해 알아보겠습니다.​​1. 우리 생활 속 연료전지  (1) 차량용 연료전지  캐나다는 자동차용 고분자 전해질형 연료전지 개발을 주도하고 있으며, 캐나다의 Ballard Power System Inc.에서연료전지 버스와 승용차를 개발하고 있습니다.​  토요타 미라이를 구입한 발라드 社출처. https://www.toyota.ca​미라이는 토요타에서 개발한 세계 최초 양산형 세단 수소연료전지차량(FCEV)입니다.일본어로 '미래'를 뜻하는 미라이는 수소연료전지로 구동되는 무배출 FCEV로, 휘발유를 사용하지 않고 꼬리 파이프에서 수증기만 배출합니다.   미라이는 기존 내연기관과 견줄만한 성능을 갖췄습니다. 주행거리가 약 500km나 되며, 약 5분 만에 연료가 다시 충전됩니다.    (2) 주택·건물용 연료전지  2009년 5월 도쿄가스가 세계 최초로 가정용 연료전지(고분자전해질형 PEMFC, 파나소닉 생산)를 발매했고, 이어 2009년 11월 JX닛코닛세이에너지(현, JXTG에너지)가 SOFC(고체산화물형) 개발, 2012년 4월 오사카가스도 아이신정기의 SOFC를 발매했습니다.   이후 각 사의 가정용 연료전지를 에너팜이라는 명칭으로 통일하고 보급을 확대해왔습니다. 에너팜의 보급이 성공적으로 확대된 이유는 태풍 등 자연재해에 정전 시에도 전기와 온수 확보 등으로 호평을 받았기 때문입니다.또한 발매 초기 에너팜의 가격은 3,000만원을 넘는 고가였으나 이후 새로운 모델이 나올 때마다 고효율화, 소형화, 설치성 향상, 비용절감 등을 통해 가격을 낮춰왔습니다. (2020년경 PEMFC 800만원, SOFC는 1,000만원 이하 목표)  2018년 28만대를 보급했으며 2019년 30만대 돌파, 2030년에는 530만대, 투자회수 5년을 목표로 하고 있습니다.이에 비해 한국의 가정·건물용 연료전지 보급 대수는 3167개소로 일본의 10년 전 수준입니다.   유럽의 Ene-Field는 2013년부터 2017년까지 총 5년간 진행된 유럽 최대 규모의 연료전지 실증사업입니다.이 프로젝트를 통해 유럽 주요 10개국에 1,000개 이상의 주거용 연료전지(열병합 발전)를 공급하였습니다.  실제 1,046대를 가정에 설치 시연하였고,550만 시간 이상의 안정적인 작동으로 4.5GWh 이상의 전기를 생성한 바 있습니다.   실증 참가자 설문에서 90% 이상이 성능, 쾌적성, 따뜻함, 신뢰성 및 운영비용에 만족하였다고 답한 만큼 성공적이었습니다.   유럽의 에너지 믹스에 연료전지를 추가하면2050년까지 설치용량 kW당 연간 6,000유로 이상의 인프라 및 운영비용 감소와 kWe당 연간 370~1,100kg CO2 배출량 저감 효과가 기대됩니다.  또한 유럽은 에너필드 프로젝트의 성공적인 결과를 바탕으로 PACE 프로젝트를 진행중입니다.  페이스 프로젝트는 2021년까지 유럽 10개국에 2,800개 이상의 연료전지 발전을 배치하는 5년 프로젝트입니다.  ​  ​이와 같이 유럽의 신재생에너지 정책은 대규모 실증을 통해 연료전지 산업을 확대하고 보조금 없이도 지속 가능한 완전 자립 형태의 생태계를 형성하는 것을 목표로 하고 있습니다. ​​​ 참고문헌. 연료전지 시장의 현재와 미래(삼정KPMG 경제연구원)연료전지, 신재생에너지 시장의 다크호스를 꿈꾸다(IBK 투자증권)http://www.energycenter.co.krhttp://amenews.dadamedia.nethttps://www.h2news.krhttps://ko.wikipedia.orghttps://www.toyota.ca​​​​오늘은 우리 생활 속 연료전지에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 배터리의 정의에 대해 소개해드리겠습니다.  We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​#수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션     

2020.08.10

#16 연료전지 시장의 현황과 미래전망

​안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 현재의 연료전지 실용화 단계에 관하여 알아보았는데요.​오늘은 연료전지 시장의 현황과 미래에 대한 전망에 대해 알아보겠습니다.​​1. 연료전지 시장의 현황과 전망: 국외 (1) 현황 전 세계 연료전지 시장은 최근 빠른 성장세를 보이고 있으며, 2017년 기준 50억 3,420만 달러를 기록하였습니다. 이는 2015년 총 17억 7,440만 달러 대비 184% 성장한 수치입니다. 용도별로는 고정형과 수송형의 전체적인 성장세가 두드러집니다. 특히, 2015년까지는 발전용 연료전지를 위주로 고정형이 전체 연료전지 시장의 약 68% 이상을 점유하였으나, 자동차용 시장의 급격한 성장으로 2017년 이후부터는 수송형의 시장 점유율이 크게 성장하여 고정형과 비슷한 규모로 시장이 형성되는 추세입니다(고정형 51.2%, 수송형 48.6%). 이에 비해 시장의 규모가 상대적으로 미미한 휴대형 연료전지 시장은 2013년 이후 빠른 성장세를 보이며 2015년에는 940만 달러로 전체 시장의 0.5%를 차지하였습니다.​​세계 연료전지 시장규모출처. Navigant Analysis​​(2) 전망 해외 수소연료전지 사업도 마찬가지로 활발하게 전개되고 있습니다. 일본 후지경제에 의하면 2030년 연료전지시장은 4조9,275억엔(약 50조원) 규모로 2017년 대비 28배 성장할 것으로 알려졌습니다.​용도별 연료전지시스템 세계 시장 규모 전망(좌), 주요국 연료전지 시스템 시장 비중 전망(우)출처. 후지경제(2018), 월간수소경제, IBK투자증권​​지역별로는 한국, 중국, 일본 등 아시아 비중이 2018년 45%에서 2030년 58%로 절반 이상을 차지할 것으로 전망되었습니다.​​​2. 연료전지 시장의 현황과 전망: 국내 ​(1) 현황 국내 연료전지 시장은 2013년 1억 9천만 달러 규모에서 2015년 4억 1,350만 달러로 약 117% 증가하였습니다. 특히, 공공기관 신축 건축물에 대한 신재생에너지 설치 의무화 사업과 친환경 건축물 인증제도, 신재생에너지 이용 건축물 인증제도, 에너지 사용계획 협의 등으로잠재적 연료전지 보급 시장 또한 매우 넓은 것으로 평가받습니다. 국내 내수시장은 발전용 연료전지의 규모 확대로 인해 고정형 연료전지를 중심으로 시장이 크게 성장하고 있으며(‘13~’19년 연평균성장률 34.2%), 육상 교통분야의 온실가스 배출저감 요구에 따라 수송용 연료전지 시장은 연평균성장률 64.3%를 기록하며 가장 큰 성장률을 보일 것으로 예상됩니다.​​국내 연료전지 시장규모출처. Navigant Analysis​국내 연료전지 시장은 총 보급량 기준으로 2014년 19만 3,369 TOE (ton of equivalent)에서2017년 31만 3,303 TOE 규모로 최근 5년간 연료전지 보급량은 빠르게 증가하고 있습니다. 연료전지가 신재생에너지 전체 보급량에서 차지하는 비중도2013년 1.2%에서 2017년 1.9%로 증가하는 추세입니다. 또한 연료전지 발전량은 2013년 579GWh로 전체 신재생에너지 발전량(21,438GWh)의 2.7%를 차지했으나,2017년 1,469GWh를 기록하며 전체 신재생 에너지 발전량(46,623GWh)의 32%를 차지하였습니다. 특히 RPS(Renewable Portfolio Standard) 정책에 힘입어 발전용 연료전지 누적 설치량이 313 MW 수준에 도달하였고 평균 이용률도 90 % 이상을 유지하고 있어 신뢰성이 높은 신재생에너지 수단임을 보여주고 있습니다.​​국내 연료전지 생산량출처. 한국에너지공단​​(2) 전망 국내 수소연료전지 소비시장은 증가하는 추세입니다. IBK 투자증권의 발표로는, 2040년 발전용 연료전지는 15 GW (48배), 가정, 건물용은 2.1 GW (300배) 보급이 목표라고 합니다.​국내 발전용 연료전지 보급계획(좌), 국내 가정, 건물용 연료전지 보급계획(우)출처. 산업통상자원부, IBK투자증권​​ 2019년 1월 발표된 한국 정부의 수소 경제 활성화 로드맵에 따르면 발전용 연료전지는 2018년 307.6 MW (41개소)가 보급되었으며 중소형 LNG 발전과 대등한 수준으로 발전단가를 하락시켜 중장기적으로 설치비 65%, 발전단가 50% 수준으로 하락을 목표로 하고 있습니다.또한, 중장기로는 2040년까지 15 GW (내수 8 GW)를 목표로 하고 있습니다. 또한 가정, 건물용의 경우 2018년 7 MW (3,167개소)가 보급되었고, 2022년과 2040년 보급목표는 각각 50 MW와 2.1 GW를 목표로 하고 있습니다.​​​​​참고문헌. 연료전지 시장의 현재와 미래(삼정KPMG 경제연구원)연료전지, 신재생에너지 시장의 다크호스를 꿈꾸다(IBK 투자증권)http://www.energycenter.co.krhttp://amenews.dadamedia.nethttp://www.horizonfuelcell.co.krhttps://ko.wikipedia.org​​​오늘은 연료전지 시장의 현황과 미래전망에 대해 알아보았습니다. 다음 시간에는 연료전지가 실생활에 쓰이는 예시에 대해 소개해 드리겠습니다.​​ ​We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업  ​​​#수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션  

2020.08.04

#15 연료전지 실용화의 현재

  안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 과거의 연료전지 실용화에 대하여 알아보았는데요.  오늘은 현재의 연료전지 실용화에 대해 알아보겠습니다.​​1. 연료전지 실용화의 발달 정도: 국외   일본의 연료 전지기술은 상당한 수준으로, 이미 1996년 6월말 기준으로 약 3.0만kW의 연료 전지(인산형)가 가동되고 있습니다. 그러나 아직도 연구과제가 많기 때문에, 장래 많은 이용이 예상되는 호텔, 병원, 오피스 빌딩 등에서 현장시험과 연구가 계속 진행되고 있습니다.  일본은 1981년부터 6년 동안 에너지 절약기술 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 추진하였습니다.   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 있습니다.   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 있습니다.    일본 동경전력의 연료 전지 발전소출처. http://dl.dongascience.com​ 연료 전지 기술을 선도하고 있는 미국은 1962년 제미니 계획에 의하여 우주 및 군용의 알칼리 연료 전지 연구를 처음 시작하였습니다.   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 시작되었습니다. ​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 200 kW급은 이미 상용화되었으며, 제조 단가를 현재의 약 3000 $/kW에서 1500~1000 $/kW 이하로 낮추고 수명을 40,000 시간 이상 지속시킬 수 있는 발전시스템을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.  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 있습니다.   네덜란드는 1986년부터 PEO주도로 미국의 IGT에서 핵심기술을 도입하여 네덜란드의 신재생에너지 연구단체인 네덜란드에너지연구센터 ECN에서 용융탄산염 연료전지(MCFC)를 개발하고 있습니다. ​​ 용융탄산염 연료전지(MCFC)출처. http://www.horizonfuelcell.co.kr​ 이탈리아는 1986년부터 국립신기술자원환경공사(ENEA) 주도로 VOLTA 계획을 추진하여 PAFC, MCFC, SOFC를 개발하고 있습니다.   캐나다는 자동차용 고분자 전해질형 연료 전지 개발을 주도하고 있으며, Ballard Power System Inc.에서 연료 전지 버스와 승용차를 개발하고 있습니다. Ballard Power System의 수소연료전지버스출처. https://www.ballard.com​​2. 연료전지 실용화의 발달정도: 국내    국내의 연료전지 기술 개발은 1985년부터 한국에너지기술연구소와 한전기술연구원 공동으로 5.9 kW급 인산염형 연료 전지 본체를 수입하여 국내 최초로 발전 시스템을 구성하여 성능 실험을 실시한 것이 그 시작입니다.   이를 계기로 국내에서도 연료 전지 개발의 중요성을 인식하게 되었으며, 최근에는 연구 개발 사업이 활성화되어 인산염형, 용융 탄산염형, 고체 전해질형 및 고분자 전해질 연료전지도 개발하고 있습니다.  한국에너지기술연구소는 1987년부터 6년 동안 과기처 국책 연구 사업을 주관하여 연구소, 대학 등이 공동으로 참여하는 인산염형 연료전지 개발 연구를 수행하였으며, 1992년도에는 1kW 인산염형 연료전지 본체를 성공적으로 개발한 바 있습니다.   이 사업은 1993년부터 시작된 국가 선도기술 개발사업으로 연계되어 산·학·연 공동 참여에 의해 실질적인 50kW급 인산염형 연료전지의 실용화를 위한 요소 기술을 개발하고 있으며, 2000년까지 200kW급 인산염형 연료전지 발전 시스템 개발을 목표로 설정하고 있습니다.  또한 1989년부터는 통상산업부의 대체 에너지 기술개발 사업으로 40kW급 인산염형 연료전지 발전시스템의 개발 사업을 수행하였습니다.   연료전지 본체 개발은 호남정유(현 GS칼텍스), 연료 개질기는 유공(현 SK이노베이션), 전력 변환 장치는 금성산전(현 LG산전), 계통 연계 기술개발은 한국전기연구소가 담당하고 가스공사가 사업을 주관하는 공동연구체제를 구성하였습니다.  또한 1987년부터 수소자동차 연구에 들어간 성균관대학교 기계공학과 이종태 교수와 대학원 및 학부생 등 10여명으로 이루어진 내연기관 연구실팀이 1993년 6월 아시아 타우너 밴을 기초로 한 국내 최초의 수소자동차인 성균1호를 만들었습니다.     국내 최초의 수소자동차 성균1호출처. http://global-autonews.com​​현재 국내의 기술 수준은 전반적으로 기초 연구 단계이나, 연료전지 본체를 포함한 연료개질, 전력 변환 장치 등의 소규모 시제품 개발을 목표로 하여 추진 중이며 최근 10kW급 인산형 발전시스템과 5kW급 고체고분자 발전시스템이 한국에너지기술연구소에 의해 개발되었으므로이러한 발전추세로 보아,단기간 내 현재의 선진 기술 수준에 근접할 수 있을 것으로 전망됩니다. ​​ 참고문헌. 고체산화물 연료전지(SOFC)의 국내외 동향(송근수)미래 항공용 고체산화물 연료전지(SOFC) 성능향상 연구동향(한창환, 김근배)http://amenews.dadamedia.nethttp://www.horizonfuelcell.co.krhttps://ko.wikipedia.org ​​오늘은 연료전지 실용화의 현재에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 연료전지 실용화의 미래에 대해 소개해드리겠습니다.   We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​​#수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #

2020.07.28

#14 과거의 연료전지 실용화 기술

    안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 연료전지의 특성과 종류에 관하여 알아보았는데요.  오늘은 과거의 연료전지 실용화 기술에 대해 알아보겠습니다.    1. 과거의 연료전지 실용화​PEM 연료전지가 발명되기 전에는 고체산화 연료전지(SOFC)와 같은 기존 연료전지 유형이 극한 조건에서만 적용되었습니다. 그러한 연료전지는 매우 비싼 재료가 필요했고, 차지하는 크기 때문에 사용에 제한이 있었습니다.   PEM 연료전지는 1960년대 초 General Electric사(社)의 Willard Thomas Grubb와 Leonard Niedrach에 의해 발명되었습니다.​  Leonard Niedrach(좌)와 Willard Thomas Grubb(우)출처. https://americanhistory.si.edu​  초기에는 전해액으로 황화 폴리스티렌 막을 사용하였으나, 1966년에 황화 폴리스티렌보다 성능과 내구성이 우수하다는 것이 입증된 Nafion ionomer로 대체되었습니다.  PEM 연료 전지는 NASA Gemini 우주선들에서 사용되었지만, 아폴로 계획과 우주 왕복선에서는 알칼리성 연료 전지(Alkaline fuel cells)로 대체되었습니다.  GE사는 1960년대 초 제미니 우주 임무를 위한 최초의 양성자 교환막 연료전지(PEMFCs)를 개발하였습니다. PEMFC를 사용하는 첫 번째 임무는 Gemini V였습니다. 그러나 아폴로 우주 임무와 그에 따른 Apollo-Soyuz, Skylab, 우주왕복선 임무는 Pratt&Whitney사(社)의 Bacon의 설계에 기반한 연료전지를 사용했습니다.     Gemini V출처. https://www.honeysucklecreek.net​ 하지만 극도로 비싼 재료가 사용되었고 연료전지는 매우 고순도의 수소와 산소를 필요로 했습니다. 또한 초기 연료전지는 높은 작동온도가 요구되어 많은 용도에서 문제가 되는 불편함이 있었습니다.   그러나 연료전지는 이용 가능한 연료(수소 및 산소)를 사용하는 점에서 바람직한 것으로 간주되었습니다.  우주 프로그램에서의 성공에도 불구하고, 연료 전지 시스템은 높은 비용을 충당할 수 있는 우주 비행 사업에 제한되었습니다.   이후 1980년대 후반과 1990년대 초반에 이르러서야 연료전지는 보다 넓은 적용기반을 위한 실용성을 갖추게 되었습니다. 낮은 백금 촉매량과 필름 전극 등의 혁신을 통해 연료 전지 비용을 낮추어, PEMFC 시스템의 개발을 더욱 실용적으로 만들었습니다. 그러나 수소연료전지가 자동차나 다른 운송수단에서 사용할 수 있는 현실적인 기술이 될 것인지에 대해서는 아직 상당한 논쟁에 있습니다.  PEMFC 생산의 상당 부분은 도요타의 수소연료 전기차인 도요타 미라이(Toyota Mirai)가 차지합니다.     도요타 사의 도요타 미라이출처. https://www.caranddriver.com​​  참고문헌. 고체산화물 연료전지(SOFC)의 국내외 동향(송근수)미래 항공용 고체산화물 연료전지(SOFC) 성능향상 연구동향(한창환, 김근배)http://www.horizonfuelcell.co.krhttps://en.wikipedia.org​​​ 오늘은 과거에 실용화했던 연료전지의 사례에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 연료전지 실용화의 현재에 대해 소개해드리겠습니다.         We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​​  #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션   

2020.07.24

#13 연료전지의 종류와 특성

  안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 실생활 속 수전해에 관하여 알아보았는데요.  오늘은 연료전지의 종류와 특성에 대해 알아보겠습니다.  앞서 알아봤듯이 연료전지(Fuel Cell)란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치입니다. 이 화학 반응은 촉매층내에서 촉매에 의하여 이루어지며 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능합니다.  전지와의 비교를 통해 더 자세히 알아보자면,전지는 닫힌 계에 화학적으로 전기에너지를 저장하는 반면 연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산합니다. 또한 전지의 전극은 반응을 하여 충전/ 방전 상태에 따라 바뀌지만, 연료전지의 전극은 촉매작용을 하므로 상대적으로 안정된 상태입니다.  연료와 산화제로는 여러 가지를 이용할 수 있습니다. 수소 연료전지는 수소를 연료로, 산소를 산화제로 이용하며, 그 외에 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화염소 등을 산화제로 이용할 수 있습니다.  오늘은 연료전지 중에서도 수소연료전지의 종류와 그 특성에 대해 알아보겠습니다.  1. 연료전지의 종류  수소연료전지는 수소와 산소를 사용하는 것으로서, 수소와 산소가 반응하여 물이 만들어지는 반응을 이용합니다.    (1) PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 양성자 교환 막 연료전지)  고분자 전해질 막 연료전지로도 알려진 양성자 교환 막 연료전지는 고정 연료전지 응용 및 휴대용 연료전지 응용뿐만 아니라 수송 응용을 위해 주로 개발되고 있는 연료전지의 한 유형입니다.   (2) SOFC(고체산화물 연료전지)  SOFC(고체산화물 연료전지)는 연료 산화로부터 직접 전기를 생산하는 전기 화학 변환 장치입니다. 연료 전지는 전해질 재료로 특징되는데요,SOFC는 고체산화물 또는 세라믹 전해질을 갖습니다.   2. 연료전지의 특성   (1) PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 양성자 교환 막 연료전지)   수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지로서, 100℃ 미만의 비교적 저온에서 작동되고 구조가 간단합니다.   또한, 빠른 시동과 응답특성, 우수한 내구성을 가지고 있으며 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있어 자동차의 동력원으로서 적합한 시스템입니다.   이와 같은 PEMFC는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용범위가 매우 다양합니다.   (2) SOFC(고체산화물 연료전지)  고체산화물 연료전지는 지르코니아 등 수소 혹은 산소 이온의 통과가 가능한 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지입니다. 따라서 연료의 융통성, 비 귀금속 촉매, 완전한 고체상의 전해질 등의 장점을 가지고 있습니다. 하지만 고온에 따른 시스템의 복잡성 증가, 고온 밀폐의 어려움, 상대적으로 고가인 전지요소와 재료 비용 등의 단점도 있습니다.​​  참고문헌. 고체산화물 연료전지(SOFC)의 국내외 동향(송근수)미래 항공용 고체산화물 연료전지(SOFC) 성능향상 연구동향(한창환, 김근배)http://amenews.dadamedia.nethttp://www.horizonfuelcell.co.krhttps://ko.wikipedia.org ​​ 오늘은 연료전지의 특성과 종류에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 연료전지 실용화의 과거에 대해 소개해드리겠습니다.        We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​​ #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션  

2020.07.13

#12 실생활 속 수전해

안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 미래 수전해의 전망에 관하여 알아보았는데요. 오늘은 수전해가 실생활에 쓰이는 사례에 대해 알아보겠습니다.​앞서 알아봤듯이, 수전해(Water Electrolysis)란 물의 전기화학반응을 통해 수소와 부산물로 산소를 생산하는 기술을 일컫습니다. 이산화탄소 같은 온실가스는 물론이고 오염물질 없이 수소를 생산할 수 있는 청정기술이기 때문에 에너지신산업 도약에 있어 핵심이 되는 기술입니다. 이러한 수전해는 다양한 분야에서 실생활에 쓰이고 있습니다. 그중에서도 수전해를 이용한 수소연료전지의 이용기술과 그 사례에 대해 알아보겠습니다. ​​1. 수소연료전지 연료전지란 말 그대로 연료를 사용하여 전기를 만들어내는 장치로서, '3차 전지'라고도 부릅니다. 연료나 재질에 따라 PEMFC, SOFC, MCFC 등의 다양한 종류가 존재합니다.연료전지는 연료를 태워서 발전기를 돌리는 것이 아니라 연료의 화학반응에서 직접 전기를 얻습니다. 수소연료전지는 수소와 산소를 사용하는 것으로서, 수소와 산소가 반응하여 물이 만들어지는 반응을 사용합니다. (1) PEMFC(고분자 전해질 연료전지) PEMFC(고분자 전해질 연료전지)의 경우 수소와 산소를 사용하는 연료전지의 음극(anode)에서는 H2인 수소가 2개의 수소 이온과 2개의 전자로 분해됩니다. 전자는 도선을 타고 양극(cathode)로 이동하고, 수소 이온은 전해질(electrolyte)를 통과하여 양극으로 이동하게 됩니다. 양극에서는 이동해온 수소 이온과 전자, 산소가 반응하여 물이 생성됩니다. ​PEMFC의 구조출처. https://www.ksakosmos.com​​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. ​Gemini 1호부터 12호까지 발사장면출처. Wikipedia​이후로 PEMFC를 연료전지자동차 등 민간용으로 응용하기 위한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있습니다.​㈜케이워터크레프트에서도 PEMFC를 이용하여 다양한 제품의 전력원으로 개발 중입니다.㈜케이워터크레프트에서는 고도정수처리된 물로 수전해 시스템을 통해 수소에너지를 생산하고 저장하고 있습니다. 이때 100% 태양광을 사용하여 수전해를 통해 수소를 생성해냅니다.이렇게 생산된 수소에너지는 연료전지를 통해 ㈜케이워터크레프트의 에너지자립형 수소발전시스템인 워터스테이션와 수소선박인 워터보트, 공기청정기 워터에어 등의 제품을 가동시킵니다. ​㈜케이워터크레프트의 워터스테이션 ㈜케이워터크레프트의 워터에어(좌)와 워터보트(우)​​(2) SOFC(고체산화물 연료전지) SOFC(고체산화물 연료전지)의 경우 양극(anode)에서 산소가 산소이온과 전자로 분리되고 음극에서 산소이온, 수소, 전자가 반응하여 물이 생성됩니다. 이 과정에서 존재하는 전자의 이동을 전력으로서 사용한다는 것이 기본 개념입니다.​SOFC의 구조출처. https://h2news.kr​​이와 같은 SOFC의 주요 응용분야는 정치형 연료전지와 이동형 연료전지로 나눌 수 있습니다.​정치형 연료전지는 가정용, 건물용 및 분산발전용을 말하는데 SOFC의 시스템 소형화가 가능한 장점과, 고효율 친환경 특성을 이용하여 가정용 같은 경우 전기와 온수(열)에 대한 수요를 충족시키고 전력수요지 근처에 배치되고 있습니다. ​STX중공업이 개발한 1kW급 SOFC 시스템 ‘encube’출처. 월간수소경제​​그리고 이동형 연료전지는 수송장치의 보조전원 및 군사 목적용입니다. 차량 혹은 선박과 같은 운송 수단은 고효율, 친환경, 소형화 등의 특성을 갖고 있는 SOFC의 좋은 적용처이고, 냉장설비를 계속 가동시켜야 되는 특장차, 군용의 전차 등 전력이 많이 소요되는 차 또는 디젤연료 사용 트럭 등에 보조 전원으로 적합합니다. 현재 항공분야에서 SOFC는 일부 제한적으로 적용되고 있으나, 기술발전과 더불어 작동온도가 낮아지고 성능이 향상되면 응용분야가 증가할 것으로 전망됩니다. 대표적으로 대형여객기 제작업체인 Airbus와 Boeing은 항공기 보조동력장치(APU)에 SOFC를 적용한 하이브리드 방식으로 효율을 높이는 기술을 개발하고 있으며, 향후 소형항공기에 적용하기 위한 시도가 가시화될 전망입니다. ​SOFC APU system출처. https://www.researchgate.net​​​SOFC의 항공기 적용은 연료소모율 감소와 더불어 유해한 배기가스를 저감시킴으로서 미래 친환경 고효율 항공기 개발에 기여하게 될 것입니다. ​​​참고문헌. 고체산화물 연료전지(SOFC)의 국내외 동향(송근수)고효율 수전해 기술(우상국, 유주현, 문상봉)미래 항공용 고체산화물 연료전지(SOFC) 성능향상 연구동향(한창환, 김근배)수전해 수소제조기술, 기후변화대응기술로 주목해야(김창희)수전해 장치 기술 개요 및 전망(이택홍)http://amenews.dadamedia.net http://www.horizonfuelcell.co.kr​​​​오늘은 수전해가 실생활에 쓰이는 사례에 대하여 알아보았습니다. 다음 시간에는 연료전지의 특성과 종류에 대해 소개해드리겠습니다.​​ ​We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업  ​​​#수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION#워터스테이션 

2020.07.06

#11 수전해의 미래

 안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 현재 수전해의 이용에 관하여 알아보았는데요.  오늘은 수전해의 미래 전망에 대해 알아보겠습니다.   1. 수소시장 전망​지난 2017년 맥킨지의 세계 수소시장 전망 보고서(Hydrogen scaling up, 2017)에 따르면 세계 수소시장 규모는 2017년 1,292억 달러에서 연평균 6% 성장해 2050년 2조5,000억 달러 매출, 누적 3,000만 개 일자리 창출이 가능할 것으로 전망되었습니다.또한 2050년 전 세계 수소 수요는 연간 78EJ(석유로 환산 시 약 132억 6,000만 배럴) 규모에 이를 전망입니다.    2050 글로벌 수소 소비량 전망출처. https://tech.hyundaimotorgroup.com  보고서는 수소가 지금은 주로 산업용 원료로써 활용되고 있지만, 수소 활용 분야의 기술 발전과 함께 수소 소비량이 가파르게 늘어날 것이라 예상합니다. 특히, 수소전기차 분야가 수소 수요 확대를 이끌고, 이후 연료전지가 다양한 분야에 보급돼 수소 소비가 점차 늘게 될 것으로 전망했습니다.​국내 수소시장도 지속 성장할 것으로 전망되는데요, 맥킨지는 2018년 한국 수소시장 전망 보고서를 통해 2050년 70조 원 매출과 누적 60만 개의 일자리 창출이 가능할 것으로 전망했습니다. ​​2. 수전해 기술의 가능성  과거 공업용으로만 사용되던 수소는 이제 화석연료를 대신할 새로운 에너지원으로 주목받고 있습니다. 수전해를 통한 수소생성은 화석연료를 사용하지 않는 수소경제의 최종적인 목표입니다. 하지만 수전해는 수소를 생성하는 데 전기를 필요하게 되므로, 상대적으로 전력의 가격이 높아져 경제성의 문제가 나타납니다. 따라서 태양광, 태양열, 풍력 등의 신재생에너지를 통해 얻어진 전력이 수전해에 사용될 때에야 비로소 상업적 사용을 기대할 수 있습니다.​ Central hydrogen production vs. distributed hydrogen production via electrolysis출처. 수소 생산을 위한 물 전기분해 이해 및 기술동향(이재영, 이영미, 엄성현)     Major Components of PEM-electrolysis Fueling Systems출처. 수소 생산을 위한 물 전기분해 이해 및 기술동향(이재영, 이영미, 엄성현)​ 수전해기술의 최대쟁점은 전극에서의 과전압에 따른 에너지 손실입니다. 아래의 표에서 확인되듯이 산소발생전극인 anode의 경우 두 시스템 모두 비슷한 값의 과전압(0.3 V)을 가집니다. 반면에 수소발생전극인 cathode의 과전압은 알카라인 전해질을 사용하는 경우, 고체고분자전해질을 이용하는 경우보다 약 10배 이상의 과전압이 필요하며,이러한 이유로 인해 전체 cell 전압도 높게 나타납니다. 즉 같은 양의 수소를 발생하기 위해서 더 많은 양의 전력이 필요하다는 것을 의미합니다. 알카라인 물 전기분해 시스템에서 현재 널리 사용 중인cathode는 Ni, NIS, Mild Steel 등이며, 백금에 비해 수소발생에 대한 높은 과전압을 나타내는 문제점을 나타내고 있습니다.​   Comparison of Overpotential in Water Electrolysis출처. 수소 생산을 위한 물 전기분해 이해 및 기술동향(이재영, 이영미, 엄성현)  또한 정제되지 않은 물을 사용할 경우 미량의 금속이온에 의해 형성되는 금속수산화물로 인해 전극의 내구성을 감소시키는 단점도 지니고 있습니다. Anode 측에서의 전압 손실을 감소시키기 위해서는 전기화학 촉매의 성능을 향상시켜야 하며, 작동 온도를 더 증가시켜야 합니다. 물 전기분해를 통한 수소의 가격의 경제성을 위해서, 즉 보다 효율적인 셀 구성을 위하여 분리 막과 전기전도체의 개발도 병행되어야 합니다.이와 더불어 비연속적인 에너지원(태양력, 풍력 등)을 통한 물 전기분해 시스템 운영 시, 공급에너지 변환에 따른 시스템의 개발도 고려해야 할 부분입니다. 원심력 및 초음파력을 이용한 물질전달 향상 연구를 통하여 시스템의 성능 제어에 이용할 수 있습니다. 나아가 연료전지 차량이나 이동형 연료전지에 이용할 수 있는 차량용이나 이동형 수소공급장치를 위하여 장치의 경량화와 소형화 연구도 필요합니다. 국내외 연구기관들은 셀 구성 재료의 저 가격화를 중심으로 하여 연구를 진행하고 있으며, 내구성 등 기계적 안정성면에서 실용화를 위해 한층 더 개선이 필요한 상태입니다.  참고문헌. 고온수증기전기분해(HTSE) 공정(신영준)고효율 수전해 기술(우상국, 유주현, 문상봉)수소 생산을 위한 물 전기분해 이해 및 기술동향(이재영, 이영미, 엄성현)수소 혁명의 시대(김미선)수전해 수소제조기술, 기후변화대응기술로 주목해야(김창희)수전해 장치 기술 개요 및 전망(이택홍)http://amenews.dadamedia.net​ 오늘은 수전해의 미래전망에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 수전해가 실생활에 쓰이는 예시에 대해 소개해드리겠습니다.      We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​​ #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션  

2020.06.29

#10 수전해의 현재

  안녕하세요. 수전해/수소연료전지 기반 발전 시스템을 개발하는 (주)케이워터크레프트입니다. 지난 시간에는 과거 수전해의 발견과 발전에 관하여 알아보았는데요.  오늘은 현재 수전해의 이용에 대해 알아보겠습니다. 수소의 생산 방법 중 수전해는 비교적 간단하고 신뢰성이 높으며 고순도의 수소를 대량으로 생산할 수 있는 방식입니다.   현재 활용되고 있는 수전해의 대표적인 방법은 고온 수증기전해법(HTE, High Temperature Electrolysis), 알칼리 수전해법(AE, Alkaline Electrolysis), 양성자 교환막전해법(PEM, Proton Exchange Membrane) 등이 있습니다. ​​1. 고온 수증기전해법의 개발  개발 시작 이후 독일의 Dornie 사는 실용적인 전해요소를 만들어 997℃에서 6.8NL/h의 수소를 제조함과 동시에,이 전해요소를 복수로 합한 전해 모듈을 만든 바가 있습니다.  또한, 일본 원자력연구개발기구 (JAEA)에서도 두께 3mm의 얇은 yttrua-stabilzied zirconia를 전해질로 하는 평판형 전기 분해 셀을 가공하여 850℃의 조건에서 실험을 하여 2.4NL/h의 수소를 생산한 바 있습니다.  미국의 INL(Idaho National Laboratory)에서는 고온 수증기 전기분해법 공정 개발관련 장기 연구 프로그램을 진행하였으며,단위 전기 분해 셀에 관한 성능 등 실험적 결과를 발표하였습니다.    미국 INL 고온 수증기전기분해 시설출처. 고온수증기전기분해(HTSE) 공정(신영준) 국내에서는 고등기술연구원에서 Ni/YSZ전극의 개발 및 셀 제작과 시스템에 대한 최적화 연구가 진행되고 있습니다.  또한 SOFC의 연구와 맞물려 regenerative fuel cell로 이용하는 연구도 추진되고 있습니다.    2. 알칼리 수전해법의 개발  알칼리 수전해법은 알카라인 수용액으로 인해 전극촉매의 높은 내구성이 요구되므로 그에 대한 연구가 진행되고 있습니다. ​니켈과 전이금속의 합금(Ni-Co, Ni-W, Ni-Zn, etc.)을 통해 높은 수소발생 활성도와 내구성을 가지는 전극 촉매를 연구하고 있으며, 또한 니켈과 비금속인 인, 황 합금을 통한 연구도 진행되고 있습니다.   최근 높은 표면적을 통한 높은 활성도를 얻기 위하여 나노 기술을 물 전기분해 전극촉매에 적용하고 있습니다. 미국의 Quantum Sphere사에서는 나노 사이즈와 마이크로 사이즈 니켈의 혼합을 통해 85%의 수소발생 효율을 가지는 촉매를 개발하였습니다.이로 인해 최근 개발되고 있는 방법에서는 알카라인 수용액의 농도를 40%까지, 그리고 40기압 정도의 고압의 수소를 생산하고 있으며, 기존의 에너지 변환효율과 전류밀도가 77∼80%와 0.13∼0.25A/cm²에서 80∼90%와 0.2∼2.0A/cm² 까지 증대하고 있습니다.  국내에서는 1980년대까지 가스제조 업체에서 단극식 알카라인 물 전기분해 장치를 자체 제작하여 수소를 생산하기도 하였으나 효율 및 경제성의 문제로 운전을 중단하였습니다. 1980년대 말부터 수소와 산소의 혼합가스인 속칭 브라운가스 발생기를 제조하는 업체들이 용접 및 절단용의 알카라인 물 전기분해 장치를 제조하기 시작하였으며, 현재 이들 제품이 제작, 시판되고 있습니다. 2000년 이후 수소와 산소의 분리형 알카라인 물 전기분해 장치에 대한 기술개발이 이루어져 현재 수소제조 용량 8Nm³H₂/hr까지의 물 전기분해 장치가 제작 판매되고 있으며, 대용량의 장치개발을 준비하고 있습니다.​  알칼리 수전해 장치(지엔씨 제작)출처. 수전해 장치 기술 개요 및 전망(이택홍)   3. 양성자 교환막전해법의 개발  고체고분자전해질(PEM) 수전해 기술은 1966년 General Electric에 의해 첫 번째 전해시스템이 개발되었습니다.   고체고분자전해질(PEM) 수전해 기술은 셀을 구성하는 재료들 즉 귀금속의 촉매들과 고분자막, 내부식성 분리판 등의 사용으로 인해 알칼라인 수전해에 비해 비싸다는 단점이 있습니다.또한 셀 구조도 비교적 복잡해서 대면적화에 어려움이 따릅니다.   하지만 높은 전류밀도 운전이 가능하고 소형화가 가능해 부하변동 대응에 빠른 응답 특성을 보이는 장점을 갖고 있습니다.  이 같은 특성에 따라 현재 많은 국가에서 귀금속 대체를 통해 가격을 낮추고 대면적화하는 기술개발 연구를 진행하고 있습니다.  최근에는 대용량의 수전해시스템이 개발되고 있으며, 미국 Hogen에서 6Nm³H₂/hr의 용량으로 15기압까지의 제품이 생산되고 있습니다.     Hogen사의 H6m - Hydrogen Generator출처. https://www.fuelcellstore.com 일본의 경우 WE-NET Project에서 단위셀 면적 2500cm²의 5단 스택을 개발하였으며, 1기압 80℃, 1A/cm²의 전류밀도에서 94.4%의 에너지 변환효율을 달성하였다고 보고하였습니다.   독일 Ulm 대학교 Kibler팀에서는 금과 팔라듐의 결정성과 표면상태에 따른 수소발생능력에 대한 연구를 하였습니다.  덴마크 Nørskov팀에서는특히 기존 백금보다 높은 수소발생을 나타내는 백금과 비스무스 표면 합금 전극촉매를 개발하였습니다.  국내에서는 1990년대 초에 고체고분자전해질을 이용한 물 전기분해 기술의 기초연구가 시작되었으며, 2000년도까지 물 전기분해에 대한 연구는 미미하였습니다. 태양광이나 풍력 등의 신재생에너지가 실용화되면서 물 전기분해를 통한 수소생산의 경제성 부분을 어느 정도 해결할 수 있게 되면서 관심을 갖기 시작했습니다. 이후 2003년 10월부터 시작된 수소 프론티어 사업단의 한국에너지기술연구원에서는 자연에너지를 이용한 3Nm³H₂/hr 규모의 고체고분자전해질을 이용한 물 전기분해 장치의 개발연구가 수행 중입니다.  ​참고문헌. 고온수증기전기분해(HTSE) 공정(신영준)고효율 수전해 기술(우상국, 유주현, 문상봉)수소 생산을 위한 물 전기분해 이해 및 기술동향(이재영, 이영미, 엄성현)수소 혁명의 시대(김미선)수전해 수소제조기술, 기후변화대응기술로 주목해야(김창희)수전해 장치 기술 개요 및 전망(이택홍)http://amenews.dadamedia.net ​ 오늘은 현재의 수전해 이용에 대해 알아보았습니다.   다음 시간에는 수전해의 미래전망에 대해 소개해드리겠습니다. ​   We Build Sustainable Clean Energy World수전해/수소연료전지 시스템 전문기업​  #수소 #수소에너지 #수소란 #수소의정의 #수소의특징 #친환경에너지 #케이워터크레프트 #KWATERCRAFT #Hydrogen #수전해 #연료전지 #에너지자립형전력공급장치 #WATERSTATION #워터스테이션   ​ 

2020.06.22
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