배터리와 연료전지
초연결’로 대표되는 4차 산업혁명 시대가 다가온다.
4차 산업혁명이라는 말은 2016년 세계경제포럼(WEF, World Economic Forum)에서 클라우스 슈바프 WEF 회장이 언급하면서 화제가 된 말입니다.
“우리는 지금까지 우리가 살아왔고 일하고 있던 삶의 방식을 근본적으로 바꿀 기술 혁명의 직전에 와 있습니다.
이 변화의 규모와 범위, 복잡성 등은 이전에 인류가 경험했던 것과는 전혀 다를 것이다.
인공지능과 사물인터넷 등의 기술이 모든 것과 연결되는 ‘초연결 사회’가 도래하며 새로운 산업혁명을 일으킬 것입니다”
4차 산업혁명은 인공지능, 사물인터넷, 빅데이터, 모바일, 로봇 등 첨단 정보통신기술을 이용해 사람, 사물, 공간이 모두 상호 연결되고 이러한 ‘연결’로 일어나는 혁신적 변화.
4차 산업혁명의 ‘모든 것이 서로 연결된 상태’가 가능 하려면 필요한 것이 바로 배터리입니다.
에너지를 지속적으로 공급받아야 하거나 소진 시 바로 보충해야 하는 시공간적 제약을 극복해 주는 것이 배터리이기 때문입니다.
예를 들어 인공지능 로봇의 경우 플러그가 꽂혀 있지 않은 상태에서 고작 10분 정도만 움직일 수 있다면 무용지물이 아닐까요? 인공지능 로봇이 빅데이터를 통한 자가 학습을 하려면 24시간 켜져 있어야겠죠?
웨어러블 디바이스, 로봇, 드론 등이 우리 삶에 도움이 될 만큼 충분히 움직일 수 있으려면 플러그 없이 오랜 시간 에너지를 공급받아야 합니다.
결국 에너지 저장장치인 배터리가 그 해답이 될 것이다.
목차
1. 배터리란?
2. 연료전지란?
3. 배터리와 연료전지 차이점
4. 연료전지 종류
5. 연료전지 장점
6. 연료전지 시장
7. 외국 연료전지
8. 국내 연료전지
9. 결론
10. 출처
1. 배터리란?
- 연료전지는 말 그대로 ‘연료’를 연소시켜 ‘전기’를 만들어내는 전지입니다. 연료는 보통 수소(H)가 쓰이고, 연소 반응은 내연기관과 같은 점화가 아니라 화학 반응(산화)에 의해 일어납니다
- 특징
○ 배터리의 성능을 결정하는 두 가지 요소
전압과 용량, 배터리 내에서 전기는 기본적으로 음극에서 나온 음이온(전자)가 전해액을 타고 양극으로 이동하면서 발생하게 되는데요. 금속이 녹아 드는 정도는 이온화 경향에 따라 정해지며, 이온화 경향이 다른 금속들을 조합해 전해액에 담금으로써 전기의 세기를 조정할 수 있다.
○ 배터리 용량
배터리가 저장할 수 있는 전기의 양, 더욱 정확히 말하자면 전자의 양을 뜻합니다. 단위는 Ah(암페어아워)입니다. 앞서 전류에 대해 설명하면서 말씀을 드렸죠. 만약에 배터리 용량이 1Ah라면 1A의 전류로 1시간동안 사용할 수 있는 배터리 용량을 뜻합니다.
배터리가 저장할 수 있는 에너지의 양은 배터리의 용량에 전압을 곱한 것이므로 배터리의 전압과 용량은 배터리의 성능과 관련한 중요한 요소라고 할 수 있습니다.
충전과 방전을 통해 여러 번 반복해서 사용할 수 있는 리튬이온배터리의 경우, 음극의 리튬이 전해액을 지나 양극으로 이동하면서 전기가 발생하며, 활물질에 따라 특성이 부여된다는 특징이 있습니다. 리튬이온배터리는 활물질에 리튬이 얼마나 저장되느냐가 용량을 결정합니다.
○ 배터리 기본 사항
셀, 모듈 및 팩 – 하이브리드 및 전기 차량에는 직렬 및 병렬로 구성된 개별 모듈 및 셀로 구성된 고전압 배터리 팩이 있습니다. 셀은 배터리가 취할 수 있는 가장 작은 패키지 형태이며 일반적으로 1-6 볼트 정도입니다. 모듈은 일반적으로 직렬 또는 병렬로 연결된 여러 셀로 구성됩니다. 그런 다음 모듈을 다시 직렬 또는 병렬로 연결하면 배터리 팩이라고 합니다.
- 이차전지 및 일차전지 – 하이브리드 자동차, 플러그인 및 전기 자동차용 전지는 충전이 가능한 이차전지입니다. 일차전지는 재충전 할 수 없는 배터리.
C- 및 E- 비율 – 배터리를 설명 할 때 방전 전류는 종종 배터리 용량에 대해 정규화하기 위해 C- 율로 표현되는데, 이는 종종 배터리마다 매우 다릅니다. C-rate는 최대 용량에 비해 배터리가 방전되는 속도를 측정 한 것입니다. 1C 속도는 방전 전류가 1 시간 안에 전체 배터리를 방전한다는 것을 의미합니다. 100Amp-hr의 용량을 가진 배터리의 경우, 이는 100A의 방전 전류와 같습니다. 이 배터리의 5C 속도는 500A이며 C / 2 속도는 50A입니다. 마찬가지로 E-rate는 방전 전력을 나타냅니다. 1E 속도는 1시간 안에 전체 배터리를 방전하는 방전 전력입니다.
C-rate는 배터리의 방전 및 충전 전류를 나타내는 일반적인 기준입니다. I = M * C로 표현 될 수 있으며, 여기서 I = 전류 (A); C = 배터리 용량 (Ah); M은 C-rate 값입니다. "C-Cate C-Rate는 배터리의 충전 전류와 방전을 나타내는 일반적인 방법입니다. I = M * C로 표현할 수 있습니다. I = 전류 A, C = 배터리 용량, M은 C-rate 값 C-Rate 제어를 사용하려면 활성 배치 파일에 배터리의 공칭 용량을 입력하고 Control Value 필드에 C-Rate 값을 입력하면 소프트웨어가 자동으로 출력 전류 값을 계산합니다. Rate는 충전 전류를, 음의 C-Rate는 방전 전류를 나타내며, 이 유형은 병렬로 수행 할 수 있습니다.
통계 데이터는 배터리에 대한 많은 충 방전주기를 실행하는 배터리 테스트 절차를 위해 특별히 설계된 정보입니다. 각주기의 데이터 요약을 제공하고 각주기의 마지막 데이터 포인트를 포함합니다. 전류, 전압, 용량 및 에너지로 구성됩니다. 각 사이클의 최대 전압도 추적하여 통계 데이터에 포함
○ 배터리 상태
충전 상태 (SOC) (%) – 현재 배터리 용량을 최대 용량의 백분율로 표현한 것입니다. SOC는 일반적으로 시간에 따른 배터리 용량의 변화를 결정하기 위해 전류 통합을 사용하여 계산됩니다.
방전 깊이 (DOD) (%) – 방전 된 배터리 용량의 백분율을 최대 용량의 백분율로 표시합니다. 80% 이상의 DOD로의 방전을 심방 전이라고합니다.
단자 전압 (V) – 부하가 적용된 배터리 단자 사이의 전압입니다. 단자 전압은 SOC 및 방전 / 충전 전류에 따라 다릅니다.
개방 회로 전압 (V) – 부하가 적용되지 않은 배터리 단자 사이의 전압. 개방 회로 전압은 배터리 충전 상태에 따라 달라지며 충전 상태에 따라 증가합니다.
내부 저항 – 배터리 충전 상태에 따라 일반적으로 충전 및 방전에 대해 다른 배터리 내 저항. 내부 저항이 증가함에 따라 더 많은 충전 에너지가 열로 변환 될 때 배터리 효율이 감소하고 열 안정성이 감소합니다. 배터리 기술 사양이 섹션에서는 배터리 셀, 모듈 및 팩을 설명하는 데 사용되는 배터리 기술 사양 시트에서 볼 수있는 사양에 대해 설명합니다.
○ 배터리 기술사양
공칭 전압 (V) – 때때로 배터리의 "정상"전압으로 생각되는 기준 전압.
차단 전압 – 최소 허용 전압. 일반적으로 배터리의 "방전" 상태를 정의하는 전압입니다.
용량 또는 공칭 용량 (특정 C-rate의 경우 Ah) – Coulometric 용량, 100% 충전 상태에서 특정 방전 전류 (C-rate로 지정)에서 배터리를 방전할 때 사용할 수 있는 총 Amp-hours 차단 전압. 용량은 방전 전류 (Amps)에 방전 시간 (시간)을 곱하여 계산되며 C-rate가 증가함에 따라 감소합니다.
에너지 또는 공칭 에너지 (Wh (특정 C- 레이트)) – 배터리의 "에너지 용량", 배터리가 특정 방전 전류 (C- 레이트로 지정됨)에서 차단 전압에 100% 충전 상태. 에너지는 방전전력 (와트)에 방전 시간 (시간)을 곱하여 계산됩니다. 용량과 마찬가지로 에너지는 C 속도가 증가함에 따라 감소합니다.
사이클 수명 (특정 DOD 의 수) – 배터리가 특정 성능 기준을 충족하지 못하기 전에 경험할 수있는 방전 충전 횟수입니다. 사이클 수명은 특정 충전 및 방전 조건에 따라 추정됩니다. 배터리의 실제 작동 수명은주기의 속도와 깊이 및 온도 및 습도와 같은 다른 조건의 영향을 받습니다. DOD가 높을수록 사이클 수명이 줄어 듭니다.
특정 에너지 (Wh / kg) – 단위 질량 당 공칭 배터리 에너지로, 때로는 중량 에너지 밀도라고도합니다. 특정 에너지는 배터리 화학 및 패키징의 특성입니다. 차량의 에너지 소비와 함께 주어진 전기 범위를 달성하는 데 필요한 배터리 무게를 결정합니다.
특정 전력 (W / kg) – 단위 질량 당 최대 가용 전력. 특정 전력은 배터리 화학 및 패키징의 특성입니다. 주어진 성능 목표를 달성하는 데 필요한 배터리 무게를 결정합니다.
에너지 밀도 (Wh / L) – 단위 체적당 공칭 배터리 에너지를 체적에너지 밀도라고도합니다. 특정 에너지는 배터리 화학 및 패키징의 특성입니다. 차량의 에너지 소비와 함께 주어진 전기 범위를 달성하는 데 필요한 배터리 크기를 결정합니다.
전력 밀도 (W / L) – 단위 볼륨 당 사용 가능한 최대 전력. 특정 전력은 배터리 화학 및 패키징의 특성입니다. 주어진 성능 목표를 달성하는 데 필요한 배터리 크기를 결정합니다.
최대 연속 방전 전류 – 배터리를 지속적으로 방전 할 수있는 최대 전류입니다. 이 제한은 배터리를 손상 시키거나 용량을 감소시키는 과도한 방전 속도를 방지하기 위해 일반적으로 배터리 제조업체에서 정의합니다. 모터의 최대 연속 출력과 함께, 이는 차량의 지속 가능한 최고 속도와 가속도를 정의합니다.
최대 30초 방전 펄스 전류 – 최대 30초 동안 배터리를 방전 할 수 있는 최대 전류입니다. 이 제한은 배터리를 손상시키거나 용량을 감소시키는 과도한 방전 속도를 방지하기 위해 일반적으로 배터리 제조업체에서 정의합니다. 전기 모터의 최대 출력과 함께 차량의 가속 성능 (0-60mph 시간)을 정의합니다.
충전 전압 – 완전 충전 시 배터리가 충전되는 전압입니다. 충전 방식은 일반적으로 배터리 전압이 충전 전압에 도달 할 때까지 정전류 충전으로 구성된 다음 정전압 충전으로 구성되어 충전 전류가 매우 작아 질 때까지 테이퍼 될 수 있습니다.
플로트 전압 – 배터리 자체 방전을 보상하여 용량을 유지하기 위해 100% SOC로 충전 한 후 배터리가 유지되는 전압.
충전 전류 – 정전압 충전으로 전환하기 전에 일정한 충전 방식으로 배터리가 초기에 충전되는 이상적인 전류 (약 70% SOC).
(최대) 내부 저항 – 배터리 내부의 저항으로, 일반적으로 충전 및 방전에 따라 다릅니다.
콜드 크랭킹 성능 (Amps)- 콜드 크랭킹 성능(CCA)은 배터리의 시작 성능을 측정합니다. 간단히 말해서 CCA가 높을수록 차량 시동이 더 쉬워집니다.
암페어 시간- 암페어 (Amp)는 초당 1 쿨롱과 동일한 전류 흐름의 단위입니다. Amphours라고도하는 암페어 시간 (Ah)은 배터리의 용량 또는 에너지 함량을 동일한 출력 전압과 비교하는 데 사용되는 측정 단위입니다. 대부분의 배터리에서는 배터리의 C 속도를 정의합니다. 자동차 (납산) 배터리의 경우 SAE는 배터리 전압이 셀 전압이 1.75V로 떨어질 때까지 C 속도의 20 분의 1로 방전 될 때 20 시간 동안 전류가 20 배로 전달되는 전류량을 정의합니다. 엄밀히 말하면, 1A 시간은 1시간 동안 흐르는 1A, 즉 1Ah = 3600 Coulombs에 의해 전달 된 전하입니다. 모든 배터리의 실제 용량은 에너지 함량이며 와트시 (Wh)로 측정됩니다. 배터리의 Amphour 용량에 배터리 전압을 곱한 값입니다
배터리 수명 추정 - 배터리 수명을 결정하는 데 어려움이 있습니다. 많은 수의 배터리를 폐기 테스트해야하므로 성능 데이터는 일반적으로 사용할 수 없으며 비용이 많이 듭니다. 또한 예측을 검증하는 데 필요한 테스트 기간은 종종 상업적 의사 결정 리드 타임보다 큽니다. 충전 – 고용량 배터리의 방전 시간이 매우 길고 배터리 수명을 결정하기 위해 가속 수명 테스트를 사용하면 배터리 수명이 온도, 속도 및 방전 깊이 및 발생 시간을 가속화하는 데 사용되는 테스트 조건에 따라 오해의 소지가 있는 결과를 초래할 가능성이 높습니다.
전압 (디지털) (V) : 지정된 값으로 일정한 전압을 셀이나 배터리에 출력합니다. 디지털 전압 제어는 전류 제어에서 디지털 전압 제어로보다 부드럽게 전환합니다. 디지털 전압 제어는 개방 회로 전압 제어 및 전위차계 유형 제어에 적합하지 않습니다. 이 제어 유형은 특정 하드웨어에서만 사용할 수 있습니다.
CCCP : CC 단계 (정전류 제어)와 CV 단계 (정전압 제어)를 하나의 단일 단계 "CCCP"로 결합하여 정전압 단계에서 테스트가 중단 된 후 자동 재개로 인해 발생할 수있는 문제를 해결 한 후 다시 시작합니다.
CCCV : 사용자는이 제어 모드를 통해 한 단계로 정전류 정전압 충전 방식을 구현할 수 있습니다. 사용자는 벌크 충전 전류 (CC (A) :) 및 전압 제한 (CV (V) :)을 지정합니다. 충전은 시간 또는 전류 제한을 통해 종료 될 수 있습니다. 이 제어 유형은 특정 하드웨어 구성에만 사용할 수 있습니다. 이 유형은 병렬로 수행 할 수 있습니다.
전력 (W) : 지정된 값으로 셀 또는 배터리에 일정한 전력을 출력합니다. 이는 옴의 법칙 V = IR 및 P = IV에 따라 배터리 전압을 반복적으로 측정하고 필요한 전류를 계산하여 사용자가 설정 한 전력 수준을 달성함으로써 달성됩니다. 채널이 샘플링 될 때마다 계산이 수행되고 전류는 원하는 전력 레벨에서 빠르게 안정화되고 전압이 변함에 따라이 전력 레벨을 유지합니다. 이 유형은 병렬로 수행 할 수 있습니다.
휴면 : 배터리는 충전 / 방전 회로에서 분리되어 있지만 개방 전압 측정을 가능하게하기 위해 전압 측정 회로에 연결
AC_Impedance : 1kHz 부과 사인파로 인한 임피던스 계산 값
ACI_Phase_Angle : AC 임피던스의 위상각 값 (도)
dAux Value / dt1 보조입력 1의 1차 변화율
dAux Value / dtx 보조 입력의 1차 변화율 x
○ 국내 기업별 현황
○ 충전 원리
V X A = W
V _ Voltage _ 전압
전압은 전기의 압력이라고 생각하면 쉬워요. 전기는 높은 전압에서 낮은 전압으로 흐르기 때문에 자신의 배터리 전압보다 높은 전압의 충전기를 사용해야 합니다.
A _ Ampere _ 암페어
시간 당 흐르는 전류의 양을 암페어라고 합니다. 암페어가 크다는 것은 그만큼 시간 당 많은 의 전류가 흐르고 있다는 것을 뜻하죠. 때문에 9V 1A와 9V 10A를 보면 후자쪽이 10배 더 많은 전류를 흘려 보낼 수 있습니다.
W _ Watt _ 전력
전력은 시간 당 소비 할 수 있는 전력의 양을 말합니다. 전력이 세면 전기의 힘이 세다는 것을 뜻합니다. 충전을 할 때 이 W만 보고도 얼마만큼 충전이 될지 예측 할 수 있습니다. 예를 들어 9V 2A 짜리 충전기와 12V 3A 짜리 충전기가 있다면 어떤 충전기가 힘이 셀까요? 전자는 18W의 힘을 낼 수 있고 후자는 36W의 힘을 낼 수 있으니 당연히 후자가 더 힘이 세다고 할 수 있습니다.
요즘 충전기들은 하나의 전류만 지원하지 않습니다. 보통 2~3가지 정도의 다양한 전압 및 전류를 지원하기 때문에 그때 그때 맞춰서 전력을 흘려보냅니다.
또한 아무리 높은 전력으로 충전해도 받아들이는 배터리가 해당 전력을 지원하지 않는다면 흘러오는 전력의 일부분 밖에 받지 못합니다. 빠르게 충전을 하려면 충전기와 배터리의 콜라보가 중요합니다.
○ 충전의 종류
부스트충전법
보통 2시간이 넘는 리튬이온전지의 충전시간은 일반적으로 전지의 안전성과 수명 때문이며, 이에서 벗어나면 전지 내부에서 부반응이 일어나 유해성이 증가하는 것으로 알려져 있었다. 그러나 이 부반응은 극단적인 전압조건에서 지나치게 강조된 것 같아, 아무 유해효과 없이거의 비워져있는(close-to-empty) 리튬이온전지를 매우 짧은 시간에 고전류로 충전할 수 있는 충전
전류감쇠충전법
리튬이온전지의 안정적이고 신속한 충전을 위한 연구의 초기성과 중 하나로써, 선형적으로 감소하는 전류치를적용하여충전하면동일충전심도에서기존의 CC-CV 충전법에 비해 충전시간을 줄일 수 있음이보고되었다. 이를 응용하여 시간에 따라 다양한 전류감쇠를 적용하여 충전시간을 단축하는 충전
다단계 정전류 충전법
리튬 이온전지의 고속 충전과 사이클 안정성을 동시에 확보하기 위한 최적 충전방식이 요구됨에 따라 정출력-정전압(CP-CV) 충전법과 다단계(multistage) 정전류-정전압(MCC-CV) 충전법. CP-CV 충전은 고전류로 시작하여 정출력이 유지되 도록 전류치를 감소시키면서 충전하여 4.2V에 이르면 CV 충전하는 방식이다. 반면에 MCC-CV 충전은 낮은 전류치로 CC 충전하여 총 용량의 10% 정도를 충전한 후 높은 전류치로 다시 4.2V까지 CC 충전하고이어서 CV 충전하는 방식.
펄스충전법
De Jong과 Notten[10]은 리튬이온 전자네트워크 모델을 이용한 시뮬레이션을 이용하여 리튬이온전지에 대한 펄스 충전효과를 조사하였다. 즉 (그림 a)와 같이 리튬이온전지 내부에서 일어나는 충전 메커니즘에 대해 (그림 b)와 같은 네트워크 모델을 적용하되, 1번의전압원(voltage source)은양극(LixCoO2)의 평형전압, 2번 저항은 양극/전해질 계면의 전하전달반 속도론, 3번 커패시턴스는 양극과 접한 계면에서의 Li+ 양이온농도, 4번과 5번저항은각각 Li+ 양이온과 PF6- 음이온의 확산이동과정을 대표.
○ 저속 충전 사이클
[1] 전기 자동차가 연결되지 않았으며, 전체 발전기전압은 Va에서 전원공급장치로 측정한다. 발전기신호 Vg는 +12V 직류 전압이다.
[2] 케이블 어셈블리를 자동차와 전원공급장치에 연결한다. 이 조건은 Va에서 측정한 9V 신호로 검출된다. 신호 발생기에서 나온 Vg는 정상상태 +12V 직류 또는 전원공급장치를 에너지 공급에 즉시 사용할 수 있다면 ±12V, 1kHz 신호가 될 수 있다.
[3] 전원공급장치는 에너지를 공급할 수 있으며, 듀티 사이클에 의해 전기 자동차에 이용 가능한 전류를 나타낸다. -12V로 검출되며, 9V 신호는 연결된 전기 자동차를 신뢰할 수 있음을 의미한다.
[4] S2는 요구사항의 함수로서 전기 자동차에 의해 닫히며 전기 자동차가 에너지를 수신할 수 있다는 것을 나타낸다.
[5] 전원공급장치가 회로를 닫는다. 스위치 닫힘 타이밍은 다른 요구사항에 따라 달라질 수도 있다.
[6] 자동차에서 인출된 전류, 타이밍 및 전류 분포는 전기 자동차에 의해 결정된다.
[7] 전력 감소에 대한 외부 수요는 계통으로부터 또는 전원공급장치의 수동설정으로 생길 수도 있다. 전기 자동차는 전류 수요를 듀티 사이클에 나타난
것으로 조정한다.
[8] 충전 종료, 전기 자동차에 의해 결정된다.
[9] 전기 자동차가 단로를 요구한다. 이것은 개방된 근접 접점의 결과가 될 수 있다.
[10] 전원공급장치가 상태 B(전기 자동차에서 S2가 개방되는 것)를 검출하고 접촉기를 개방한다.
[11] 전기 자동차나 전원공급장치에서 케이블 어셈블리가 완전히 제거되었는지는 12V 신호로 검출된다.
○ 최근 개발된 AI 머신러닝으로 '전기차(EV) 배터리' 시스템
클로즈 루프 최적화(CLO, Closed-Loop Optimization)시스템의 개략도.
첫째, 배터리를 테스트한다. 처음 100사이클의 데이터(특히, 전압과 용량과 같은 전기 화학적 측정)는 사이클 수명의 초기 결과 예측을 위한 입력으로 사용된다. 머신러닝 모델의 이러한 사이클 수명 예측은 이후에 BO알고리즘으로 보내지는데, 이는 탐사(추정 사이클 수명의 높은 불확실성을 가진 시험 프로토콜)와 이용(추정 사이클 수명을 가진 시험 프로토콜)의 경쟁적 수요의 균형을 맞추어 시험한다.이 과정은 소진될 때까지 반복된다. 이 접근 방식에서 초기 예측은 테스트한 배터리당 필요한 주기 수를 줄이는 반면, 최적의 실험 설계는 필요한 실험 횟수를 줄인다. 초기 결과 예측 변수를 교육하고 BO 하이퍼패러미터(hyperparameters)를 설정하기 위해 사이클에 사용한 배터리의 작은 교육 데이터 세트가 사용된다. 향후 작업에서는 배터리 소재와 프로세스는 이 폐쇄 루프 시스템에 통합될 수 있다.
○ 최근 국내기업의 충전소 설계 이미지 모습
2. 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.
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. 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
연료전지 발전 장치의 구성 요소로는 다음과 같은 것들이 있다.
- 연료 개질기(Fuel Reformer)
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)
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)
연료 전지에서 나오는 직류 전원을 교류 전원으로 변환시킨다.
- 기타 장치
이외에도, 연료전지 발전 설비의 효율을 높이기 위하여 연료 전지 반응에서 생기는 반응열과 연료 개질 과정에서 나오는 폐열 등을 이용하는 장치가 부수적으로 필요하다.
3. 배터리와 연료전지 차이점
○ 리튬이온 배터리를 통해 배터리 구조를 살펴보겠습니다. 보시다시피 연료전지와 구조가 거의 비슷합니다. 배터리 역시 전극에서 일어나는 화학반응에 의해 작동하는데요. 보통 양극에는 리튬-코발트 산화물(LiCoO2)이 주로 쓰이고, 음극에는 연료전지처럼 흑연이 주로 사용되고 있습니다. 전해질은 #리튬 화합물과 용매로 구성됩니다. 기존 리튬이온 배터리는 용매가 액체여서 안정적이지 않다 보니 폭발 위험성이 있었는데요. 이를 대체하기 위해 고체 용매가 등장하였습니다. 이를 ‘리튬폴리머 배터리’라고 부릅니다.
배터리를 충전하기 위해 외부에서 전기가 가해지면 양극 물질(Li+Co+O2) 중에 리튬 물질(Li)이 리튬이온(Li+)과 전자(e-)로 분리됩니다. 그 후 리튬이온은 전해질을 통해, 전자는 도선을 통해 음극 쪽으로 이동하게 되고, 음극 물질(흑연)에서 환원 반응(Li++e-)이 일어납니다. 그리고 층상구조를 갖는 흑연의 층 사이사이에 리튬이 쏙쏙 저장되지요. 배터리를 사용할 때(방전)에는 이 과정과 반대로 작동합니다. 저장되어있던 리튬이온은 다시 전해질을 통해 양극으로 가고, 전자는 도선을 통해 양극으로 이동합니다. 그때 생기는 전류를 가지고 스마트폰도 사용하고, 전기차도 움직이게 됩니다.
○ 수소는 밖에서, 리튬은 안에서
연료전지와 배터리는 전극에서 발생하는 화학반응으로 전기에너지를 얻는다는 점에서 그 기본 원리와 구조는 똑같습니다. 그러나 연료전지는 화학반응의 원료가 되는 수소와 산소를 외부에서 주입하고, 배터리는 내부에 원료가 존재(리튬)한다는 점이 다릅니다. 이것을 우리가 사용하는 입장에서 설명하면, 연료전지는 사용자가 ‘수소’라는 연료를 때마다 채워주어야 전기를 사용할 수 있습니다. 이와 달리 배터리는 비어있는 공간 안에 직접 전기를 넣어 저장하는 것으로, 저장한 전기를 다 쓰면 또다시 충전해 사용합니다.
이러한 차이 때문에 수소차와 전기차의 구조도 달라집니다. 수소차는 크게 수소충전 주입구, 수소탱크, 연료전지, 공기(산소) 주입구, 전기모터, 감속기(속도 조절)로 구성된다면, 전기차는 배터리 충전 플러그, 배터리, 교류/직류(AC/DC) 인버터, 전기모터, 감속기로 구성됩니다.
수소차와 전기차의 장단점도 바로 연료전지와 배터리의 차이에서 비롯되는데요. 수소차는 연료만 충전하면 되기 때문에 마치 주유하듯 사용할 수 있습니다. 수소 충전도 수 분이면 충분하고, 연비가 높습니다. 반면 전기차는 충전 시간이 오래 걸린다는 문제가 있습니다. 현재 기술로는 완속 충전은 3~4시간, 급속 충전은 30분 정도 걸리고요. 연비도 수소차보다 떨어집니다. 반면 전기차는 배터리와 전기모터만 추가하면 되기 때문에 구조가 간단하고 가격이 저렴하다는 장점이 있습니다. 그에 반해 수소차는 수소 연소를 위한 별도의 구조가 필요하고, 연료전지의 소재 자체가 비싸다는 문제가 있습니다.
4. 연료전지의 종류
- 용융탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)
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℃의 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)
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 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.
손원일급 잠수함이 독일 지멘스가 개발한 120kw 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 2개와 배터리를 혼합한 하이브리드 방식의 추진체계를 탑재했다.
- 고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)
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 ℃)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.
- 직접메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)
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 사용 시에는 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.
- 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 전지이다. 2007년 5월 미국에서 20 ~ 45 V의 전압을 내는 직접에탄올 연료전지를 개발하였다.
반응 메커니즘 : C2H5OH + 3H2O → 2CO2 + 12H+ + 0.5V
인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)
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℃에서 응고되어 버리기 때문에 시동이 어려우며, 지속적인 운전 또한 제약이 따른다. 그러나 150~200℃의 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 (Direct Carbon Fuel Cells, DCFC)
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)로 부터 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.
○ 발전 시스템이나 여타 다른 에너지 시스템과 비교할 수 없는 이론적으로 높은 열역학 에너지 전환율 (ηth=ΔG/ΔH=over 100%)을 가지고 있다. 이는 엔트로피 변환값이 모든 작동 온도 (T>600'C) 구간에서 0가까운 양의 값을 가지며, 자유에너지 변환 값이 엔탈피 변환 값보다 항상 크기 때문이다.
○ 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 용이.
○ 시스템이 고온에서 작동하기 때문에 다양한 종류의 고체 형태의 탄소 연료 (coal, coke, char, graphite) 뿐만 아니라 바이오매스도 연료 이용이 가능하다.
○ 연료전지 기술 자체가 매우 잘 정립되어 있기 때문에 기존의 화력발전소 혹은 석탄가스화복합발전(IGCC; Integrated Gasification Combined Cycle)과 연계하여 부생 가스(syngas, CH4, H2)와 잔존 석탄 찌꺼기 등을 연료로 이용이 가능.
○ 반응 메커니즘
전체 반응식: C + O2 → CO2.
고체산화물전해질 기반 직접탄소 연료전지
연료극(anode) 반응.
<직접 전기화학적 산화반응>
C + 2O2− → CO2 + 4e−
C + O2− → CO+ 2e−
<간접 전기화학적 산화반응>
CO + O2− → CO2 + 2e−
<Boudouard 반응>
C + CO2 → 2CO
공기극(cathode) 반응
O2 + 4e− → 2O2−
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5. 연료전지 장점
- 재생에너지 대비 낮은 설치 필요면적
2016년 신재생에너지백서에 따르면, 태양에너지의 기술적 잠재량(현재 기술수준으로 산출될 수 있는 에너지생산량) 설비용량은 7,451GW이다. 연간 최대 발전량은 태양광 발전의 경우(효율 16%) 4,325TWh, 태양열 발전(효율 37.45%)은 10,123TWh이다. 풍력은 육상 63.5GW, 해상 33.2GW이며 발전량은 각각 97TWh로 산출된다. 잠재력은 풍부하다.
재생에너지는 연료비가 들지 않는 장점이 있다. 하지만 반대로 고정비 부담이 크다는 단점이 부각될 수 있다. 1MW 설비 구축에 필요한 면적은 태양광 1만㎡, 풍력 2만㎡로 연료전지 250㎡ 대비 각각 40배, 80배 높다. 기본적으로 요구되는 면적이 넓기도 하지만 태생적으로 낮은 이용률(태양광 15%, 풍력 25%)을 감안한다면 격차는 240배, 288배로 확대된다. 낮은 발전효율에서 기인하는 비교열위가 재생에너지 설비용량이 유틸리티급으로 커지기 어려운 요인으로 작용하고 있다. 또한 일조량과 평균풍속 등 입지 자체의 제한이 존재한다.
한편 연료전지는 입지 측면에서 비교우위를 갖고 있다. 설비당 필요면적이 화석연료에 비해 작은 편이며 단을 활용해 수직구조로 쌓을 수 있다. 남동발전의 연료전지 분당 6단계 사업 현황을 보면 3단계~6단계까지가 복층구조로 입지효율성을 극대화했다. 위치 측면에 있어서 입지와 관계없이 이용률 확보가 가능하며 발전소 내 유휴부지 등을 활용할 수 있기 때문에 환경영향평가 등의 규제 이슈에서도 재생에너지 대비 상대적으로 자유롭다.
- 통제 가능한 높은 이용률
재생에너지의 변동성에 소요되는 비용도 무시할 수 없다. 피크수요에 태양광 발전량 증가로 전체 전력시장의 비용절감이 가능하지만 이용률이 하락하는 시간에는 계통부담이 발생하기 때문이다. 이는 ESS 연계 사업에 높은 REC 가중치가 부여되는 이유와 일맥상통한다. 반면 연료전지는 사실상 기저전원이다. 연료가 지속적으로 공급되는 경우 90% 가까운 높은 이용률 달성이 가능하다. 변동성 전원이 아니기 때문에 계절별, 지역별 이용률 편차도 존재하지 않아 외부요인과 관계없이 이용률 통제가 가능하다. 따라서 REC 공급이 안정적이다.
- REC 가중치 개편 이후에도 2.0배 유지
REC 가중치가 높다는 것은 그만큼 경제적 자립이 어려운 발전원이라는 방증이기도 하다.
18년 6월 REC 가중치 개정 이후에도 연료전지는 개편 이전 가중치인 2.0배가 동일하게 적용된다. 적어도 환경오염 우려로 기존 대비 가중치 축소가 나타난 바이오/폐기물 에너지원과는 달리 아직 연료전지 발전은 정부의 정책방향과 결이 다르지 않다고 판단된다.
이용률 통제가 가능하고 가중치가 높은 에너지원은 연료전지와 미이용바이오 전소설비다. 혼소는 기존 발전소를 활용하지만 전소는 전용발전소를 건설해야 하고 바이오매스 연료는 석탄 대비 비싸기 때문에 비용부담이 크다. 결정적으로 미이용 삼림자원 물량이 제한적이기 때문에 RPS 의무공급자가 선택하기에는 부담스러운 에너지원으로 전락했다.
6. 시장현황
- 배터리
에스앤이리서치(SNE Research)에 따르면, 글로벌 전기차와 ESS용 배터리 수요는 2018년 139GWh에서 20년 270GWh로 늘어난다. 연평균 29% 성장할 전망으로 2025년에는 844GWh까지 확대된다. 특히, 승용차용 배터리 증가폭이 크다.
이차전지 배터리팩 제조사는 전지 수요 증가에 맞춰 생산능력을 늘리고 있다. 2025년
에 983GWh까지 확대시킬 계획이다. 상위 5개사(파나소닉, CATL, LG화학, 삼성SDI,
BYD)의 점유율이 60%를 차지하는 등 상위 업체가 생산능력 증가를 주도한다.
- 연료전지
○ 산업의 특성
전지 사업부문은 전기차, ESS(에너지 저장 장치)에 탑재되는 중대형 전지 및 휴대폰, 노트북PC, 전동공구 등 모바일 기기와 전기자전거, e-scooter등 LEV(Light Electric Vehicle)에 탑재되는 소형 리튬이온 전지를 생산하여 판매하는 사업입니다.
○ 산업의 성장성
자동차전지는 각국 정부의 연비규제 강화, 전기차의 주행거리 증가 및 내연기관 차량대비 가격 경쟁력 확보에 따라 빠르게 성장하고 있습니다. ESS전지 역시 정부의 환경 규제 및 에너지 효율성 향상을 위한 지원 정책으로 성장 잠재력이 높은 사업입니다. 소형전지는 스마트폰 및 웨어러블 기기의 보급 확대, LEV, 전동공구, 전기자전거, 전동휠 등 신규 시장의 수요 증가로 성장하고 있습니다.
○ 경기변동의 특성
자동차전지는 Global OEM 및 시장의 차량 수요와 더불어, ESS전지와 같이 각국 정부의 환경규제 및 보급 지원 정책에 영향을 받습니다. 소형전지는 IT 산업과 밀접한 관계가 있으며, 특히 스마트폰 및 노트북 PC의 완제품 수요에 영향을 받습니다. 최근에는 납축전지를 리튬이온 전지로 대체하는 전동공구 및 LEV 등의 신규 Application의 수요가 증가하고 있다.
○ 시장여건
전지 사업부문은 자동차 / ESS / 소형 전분야에 걸친 수요 증가가 예상됩니다. 자동차전지는 Global OEM의 대규모 전기차 프로젝트가 증가하고 있어 자동차 전지 출하 확대가 전망되며,
ESS는 신재생에너지 보급 트렌드 가속화, 각국 규제 및 지원 정책을 바탕으로 지속 성장할 것으로 전망됩니다. 또한 소형전지는 기존 IT용 시장의 성장 둔화에도 불구하고 LEV, 전동공구 등 신규 Application의 원통형전지 적용 확대가 예상됩니다.
7. 외국의 연료전지
- 일본의 연료전지 기술은 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.
- 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.
8. 국내의 연료전지
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.
9. 결론
- 배터리 가격의 급격한 하락은 세계에서 가장 큰 에너지 저장 부문을 변화시키고 있습니다. 플랫폼은 배터리, 커패시터, 연료전지 등을 데이터 시각화 및 분석도구 기술이 발전. 나아가 EnergSoft기업들의 제품 수명주기 전반에 걸쳐 에너지 저장장치를 추적함으로써 에너지 저장 분석을 통해 생산성을 높이고 혁신을 주도하며 최종 사용자의 사용성 및 경제성을 향상시킬 것이다.
펄스충전 방식이 전지의 용량 유지율에, 다단계 CC 방식이 전지의 사이클 수명에 매우 유리한 방식임을 알수있다. 이것은 주어지는 충전전류와 충전전압이 리튬이온전지내 활물질 소재의 구조나 특성에도 영향이 크기 때문이라 생각.
- 자동차의 심장, 연료전지와 배터리는 미래 자동차의 심장 역할을 할 매우 중요한 부품입니다. 그런 만큼 세계 주요 자동차 브랜드 및 화학기업들은 현재보다 획기적으로 개선된 소재 및 부품 개발에 사활을 걸고 있습니다. 눈에 보이지 않는 화학적인 반응을 에너지로 바꾸고, 또 그 에너지가 실제 자동차를 구동할 수 있도록 하기 위해서는 나노기술이 필요합니다. 즉, 양극과 음극, 전해질 등 화학반응에 참여하는 소재들을 나노입자화 하여야 각 나노입자마다 일어나는 반응을 모아 우리가 사용하는 ‘에너지’로 활용할 수 있습니다. 즉, 나노입자(소재) 하나하나가 에너지 소자가 되어 ‘반응’을 ‘에너지’로 바꾸는 것. 즉 나노입자를 어떻게 설계하느냐에 따라 연료전지 또는 배터리의 성능이 크게 좌우됩니다. 아주 작은 나노기술 하나가 자동차 산업의 미래를 좌우할 것이다.
- 국내 발전회사(한국전력 등) 수요로 연료전지 시장규모는 유지될 것 전체 수요에서 한국전력의 6개 발전자회사가 차지하는 비중은 80%로 압도적이다. 자체조달 비중을 늘리지 않는다면 외부조달 비용이 늘어날 수밖에 없다. 석탄 혼소 발전의 신규진입이 불가능한 상황에서 통제가능한 이용률 높은 발전원은 이제 연료전지밖에 남지 않았다. 연료전지 설비 100MW에서 생산되는 전력량과 REC만으로 2020년 한국전력 의무공급량 6.5%를 소화한다. 현물시장 조달을 가정하면 REC 41,000원기준 연간 670억원 절감이 가능이 예상된다. 100MW 설비 투자비가 0.4~0.7조원 수준인 점을 감안하면 수지타산이 맞는 장사다.
- 국내 연료전지 제조업체(두산퓨얼셀과 SK디앤디 등). 지속적인 연료전지 발주 수혜 기대 REC 가격의 약세는 한국전력의 RPS 비용절감에 긍정적이다. 한편 REC 시황부진에도 REC 조달비용 절감 목적의 연료전지 발주를 지속할 것으로 예상된다. 안정성을 바탕으로 높은 시장 점유율을 유지하고 있는 기업에 수혜가 집중될 수 있다. 발전사업 특성상 부지확보, 인허가, 주민동의 등 필수적이지만 해결이 어려운 과정은 큰 장애물로 남아있다. 현재의 다양한 프로젝트 수행 능력과 경험은 미래 연료전지 시장에서 사업 확대의 차별적인 경쟁력이 될 전망이다.
- 제한된 화석 연료, 개인 이동성, 심각한 오염 물질 배출량 및 지구 온난화에 대한 수요 증가는 급격한 에너지 위기를 피하기 위한 지상 운송 시스템의 혁신이 필요한 요즘. 저렴한 이동성 전기 자동차 (EV)는 뛰어난 에너지 절약 기능과 재생 가능한 전력망과의 잠재적인 상호작용으로 인해 가장 유망한 기술 중 하나입니다. 휴대용 배터리 팩 및 에너지 저장 관리 소프트웨어는 모든 종류의 도구를 편리하게 제공하여 현재 전기에너지 EV의 성능, 경제 발전에 필수적인 역할을 할 것이다.
10. 자료출처
- 한국과학기술연구원 연료전지연구센터
포스코
하나금융지주
SK증권
삼성SDI
https://energsoft.com/blog/f/energy-storage-terminology
Commons Wikimedia
케이프투자증권
- 인공지능신문(http://www.aitimes.kr)
https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=kimchi21cg&logNo=221644750234
리튬이차전지의 고효율 충전법 연구 동향
http://www.signetev.kr/
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