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최종보고서

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에너지ㆍ자원기술개발사업 최종보고서 초록

요약문

목차

제1장 가정용 연료전지의 개요 19

제1절 연구배경 19

1. 연료전지의 이해 19

2. 가정용 연료전지의 이해 21

3. 가정용 고분자 연료전지의 구성요소 23

4. 가정용 고분자 연료전지 기술 개발 및 실증평가의 필요성 25

가. 가정용 연료전지 시스템 26

(1) 선행조건 27

(2) 실용화를 위한 조건 27

(3) 연료전지 부품개발 27

(4) 연료전지 부품 표준화 28

나. 연료변환기 28

다. 연료전지 스택 29

라. 연료전지 제어 시스템 31

제2장 국내외 기술개발 현황 32

제1절 가정용 고분자 연료전지 시스템 32

1. 국외 연구동향 32

가. 일본 32

(1) 도쿄가스 32

(2) 오사카가스 33

(3) 신일본석유 34

(4) 토후가스 34

(5) 기타 가스 사업자 35

나. 미국 35

2. 국내 연구동향 36

가. GS 퓨얼셀 36

나. 퓨얼셀파워 36

다. 대구도시가스 36

라. 한국에너지기술연구원 36

제2절 연료변환기 38

1. 국외 연구동향 38

가. Toshiba IFC 38

나. Mitsubishi Heavy Industry 38

다. Mitsubishi Electric 38

라. Tokyo Gas 39

마. Osaka Gas 39

바. Idemitsu 40

사. Nippon Oil 41

아. Fuji Electric 41

2. 국내기술현황 42

제3절 연료전지 스택 45

1. 국내외 연구동향 48

가. Ballard Power Systems 48

나. Sanyo 49

다. Plug Power 49

라. Nuvera Fuel Cells 50

마. 기타 51

제4절 연료전지 제어시스템 53

제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 55

제1절 연료변환기 55

1. 연료변환기의 이론 및 구성 요소 55

가. 탈황공정 56

나. 수증기 개질공정 57

다. 수성가스 전이공정 57

라. 선택적 산화공정 58

2. 연료변환기 설계 및 제작 59

3. 연료변환기 성능 평가 59

가. 연료변환기 성능평가 59

나. 연료극 배출(Anode-off) 가스 평가 62

다. 장기 내구성 평가 64

라. 1.5kW급 연료전지 시스템 적용성 평가 65

제2절 연료전지 스택 67

1. 고분자 전해질 연료전지의 작동원리 67

2. 연료전지 스택의 설계 및 제작 71

가. 연료전지 스택의 구성요소 71

나. Stack 설계 및 제작 72

다. 연료전지 스택의 제작 80

(1) 분리판(Bipolar Plate) 80

(2) MEA(Membrane Electrode Assembly) 82

(3) GDL(Gas Diffusion Layer, 기체확산층) 82

(4) 가스켓 82

(5) 엔드 플레이트(End Plate) 및 기타 부품 87

(6) 스택 제작 88

3. 연료전지 스택의 성능평가 89

가. 분리판의 종류에 따른 성능평가 89

나. 운전조건에 따른 스택의 성능 특성 94

다. 연료전지 스택의 장기 내구성 평가 97

라. 1kW 급 연료전지 시스템용 스택 99

마. 1.5kW급 연료전지 시스템용 스택 102

바. 시스템 적용성 평가 105

(1) 1.0kW 급 연료전지 시스템 적용 스택 105

(2) 1.5kW 급 연료전지 시스템 적용 스택 108

제3절 연료전지 시스템 제어기 111

1. 제어기 구성 설계 및 개발 111

가. 제어기 111

(1) 온도/AD 측정 장치 112

(2) DA 출력 장치 113

(3) DO 출력 장치 114

나. 전원 및 펌프 구동 장치 114

(1) 전원장치 114

(2) 펌프 구동장치 115

다. 전력변환기 116

(1) 계통연계형 1kW 연료전지 인버터 116

(2) 하이브리드 연계 독립형 연료전지 인버터 117

2. 시스템 제어 운전 구조 설계 및 개발 118

가. 운전 단계 119

(1) 초기/준비 단계(Standby/Waiting) 120

(2) 시적 단계(Starting) 120

(3) 정상 운전 단계(Running) 120

(4) 정지 단계(Shutdown) 120

나. 시스템 운전 순서 방법 122

다. 제어 프로그램의 구성 및 설계 124

(1) 1kW 계통 연계형 제어프로그램의 구성 124

(2) 3kW 계통 연계형 제어프로그램의 구성 125

라. 안전성 평가 126

(1) 정전 시 및 연료 차단 평가 126

(2) 제어기 이상 평가 126

제4절 가정용 연료전지 시스템 127

1. 가정용 연료전지 시스템의 설치 및 평가 표준안 127

가. 가정용 고분자 연료전지 시스템 설치관련 표준안 127

(1) 가정용 연료전지 시스템의 개념 127

(2) 가정용 연료전지 시스템의 안전 요구사항 128

(3) 설치장소의 선정 및 Utility 조건 128

(4) 가정용 연료전지 시스템 설치 129

나. 가정용 고분자 연료전지 시스템 평가관련 표준안 131

(1) 측정 방법 131

(2) 평가 방법과 계산 결과 133

2. 연료전지 시스템 설치사양 137

가. 시스템 연결 모식도 137

나. 시스템 Utility 138

(1) 공급계 138

(2) 배출계 139

다. 한국가스공사 설치 139

3. 연료전지 시스템 평가 143

가. 성능 평가 143

(1) 시스템의 기동/정지 평가 143

나. 전기효율 및 열효율 평가 146

(1) 1kW 가정용 연료전지 열병합 시스템의 전기효율 및 열효율 평가 146

(2) 1.5kW 시스템의 전기 및 열효율 평가 148

다. 내구성 평가 153

(1) 발전용량 평가 153

(2) 1.5kW/3kW 시스템 발전 용량 평가 155

라. 가정용 연료전지 시스템의 평가 158

(1) 해외 연료전지시스템 도입 불가 사유 158

(2) 가정용 고분자 연료전지 시스템 평가 장비 구축 159

(3) 가정용 고분자 연료전지 시스템 운전 160

가정용 고분자 연료전지 시스템 실증운전을 통한 성능분석/이원용;김창수;양태현;윤영기;박구곤;손영준;임성대 168

목차 169

제1장 개요 175

제1절 사업의 필요성 175

1. 기술의 개요 및 추진 필요성 175

가. 기술의 개요 175

나. 과제추진의 필요성 175

제2절 국내외 기술개발 현황 179

1. 당해 기술관련 국내외 실용화 평가 현황 179

가. 국내의 경우 179

나. 국외의 경우 182

2. 국내외 특허 및 현존 기술과의 관련성 187

3. 사업추진의 문제점 및 해결방안 187

가. 사업추진의 문제점 및 애로사항 187

나. 문제점 및 애로사항 해결방안 187

제2장 연구개발의 내용 및 범위 188

제1절 최종 목표 및 핵심기술 확보방안 188

1. 최종목표 188

2. 확보 세부기술 188

3. 연차별 목표 및 사업 내용 190

가. 1차년도 190

나. 2차년도 192

제2절 사업추진체계 194

1. 연차별 사업 추진체계 194

2. 추진 세부 일정 195

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 196

제1절 기후 및 계절 변동에 따른 연료전지 시스템 장기 실증 운전 196

1. 목표 196

2. 연구내용 196

가. 가정용 고분자 연료전지 시스템 2005년 가을 실증실험결과 (2005년9월~11월) 201

나. 가정용 고분자 연료전지 시스템 2005년 겨울 실증실험결과 (2005년 12월~2006년 2월) 209

나. 가정용 고분자 연료전지 시스템 2005년 봄 실증실험결과 (2006년 3월~5월) 217

나. 가정용 고분자 연료전지 시스템 2005년 여름 실증실험결과 (2006년6월~8월) 226

제2절 가정용 연료전지 시스템 효율분석 234

1. 실험방법 234

2. 계량기와 측정 방법 234

3. 각 물성값의 계산식 248

가. 전력출력 248

나. 연료 소모량 계산 248

다. 연료 에너지 계산 249

라. 전기 효율 251

마. 열효율 251

4. 전기효율 계산 253

5. 열 회수 효율계산 254

6. 열/전기 효율 특성 분석 255

제3절 가정용 고분자 연료전지 시스템 가동 및 정지특성 261

1. 기동 및 정지 모드 정의 261

제4절 가정용 고분자 연료전지 시스템 실증실험 결과를 통한 문제점 및 향후 개선점 도출 268

1. 시스템 안정성 268

가. 기동구간 268

나. 정상운전 구간 268

다. 정지구간 269

2. 시스템 내구성 273

가. 개질기 273

나. 스택 273

다. 주변장치(BOP) 273

3. 향후 실증실험 개선을 위한 제안 273

제4장 연구개발결과 활용계획 274

제1절 기대효과 및 활용방안 274

1. 기대효과 274

2. 활용방안 274

제2절 경제적 측면 및 시장전략 275

1. 경제적 파급효과 275

가. 당해 기술의 에너지자원 효과 275

나. 당해 기술의 보급환경 275

2. 시장현황 278

가. 국내시장 278

나. 국외시장 278

3. 당해 기술의 투자 경제성 278

4. 실용화(상용화) 전략 280

가. 방향 280

나. 목표 280

다. 전략 280

연료전지용 셀스택 및 독립형 시스템 실증평가/최영태;류태우;강경태;심중표 281

목차 282

제1장 서론 288

제1절 정치용 PEMFC 도입의 장점 289

1. 에너지 절약효과 289

2. 환경 친화성 289

3. 에너지 공급의 다양화와 석유 대체 효과 289

4. 분산형 전력에너지 290

5. 산업 경쟁력 강화와 신규 사업의 창출 290

제2장 국내외 기술개발 현황 292

제1절 연구 개발 동향 292

1. 국외 연구개발 동향 292

가. 미국의 기술 동향 292

나. 일본의 기술동향 292

다. 독일의 기술 동향 298

라. 유럽의 기술동향 299

제2절 연료전지 특허 현황 299

1. 특허동향 299

가. 전세계 특허동향 299

나. 한국특허동향 300

다. 일본특허동향 301

라. 미국특허동향 301

마. 유럽특허동향 302

바. PCT 특허동향 302

2. PEMFC 분야 특허동향 303

제3절 실용화 보급의 문제 306

1. 기본 성능의 향상 306

가. 연료전지 스택 306

나. 개질기 306

다. 전체 시스템 307

2. 경제성의 향상 307

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 308

제1절 1kW급 PEMFC 스택 실험 308

1. 공정 설비 개요 308

2. 공정 제어 설비 구성 개요 309

가. 연료전지 스택 온도 제어 310

나. 공기 유량제어 310

다. 가스 압력제어 310

라. 가습 및 기타 공정 제어 310

마. 계측기 구성 311

제2절 실증평가 설비 구축 313

1. 평가 설비 사양 313

2. 성능평가 장치의 프로그램 및 제어 317

가. 가스 유량 제어 317

나. 연료전지 스택의 온도제어 318

다. Humidifier Control (DPT 제어 방법) 319

제3절 PEMFC 스택 실험 327

1. 스택의 운전 및 성능 측정 327

2. 초기 성능 328

3. 단위전지 성능과의 비교 329

4. 스택내의 단위전지들의 성능 분포 330

5. 전압손실 요인 331

6. 온도 분포 333

7. 순수 수소와 혼합가스의 성능 비교 334

8. 스택 연속 운전 336

제4절 독립형 연료전지 평가 337

1. 독립형 연료전지 성능평가 시스템 337

가. 연료전지 성능평가 시스템 337

나. AC Loader 339

2. 3kW급 Battery Hybrid연료전지시스템구성 341

가. 스택 341

나. 천연가스 개질 시스템 342

다. 주변기기(BOP;Balance Of Plant) 345

라. 3kW급 Battery Hybrid 연료전지 시스템 346

3. 3kW급 Battery Hybrid 연료전지시스템장기운전 평가 347

4. 결론 349

가. PEMFC 성능평가 장비 구축 349

나. 스택 성능 평가 349

다. 1kW 스택 장기운전 결과 350

라. 3kW Battery Hybrid 연료전지 시스템 장기운전 성능평가 350

〈표 2-1〉 Tokyo Gas 연료변환기 규격 39

〈표 2-2〉 Osaka Gas 연료변환기 규격 40

〈표 2-3〉 연료전지 스택부품 및 소재의 국내외 현황 46

〈표 2-4〉 Avanti 사양 51

〈표 3-1〉 대표적 개질공정의 주요특성 55

〈표 3-2〉 GS퓨얼셀 연료변환기 성능 61

〈표 3-3〉 1.5kW급 개질가스 및 연료극 배출가스 조성/유량 64

〈표 3-4〉 Manifold에 따른 셀간 유량 분포(LPM) 77

〈표 3-5〉 탄소복합체 Bipolar plate 물성표 81

〈표 3-6〉 가스켓의 적용방식에 따른 특징 84

〈표 3-7〉 흑연분리판 물성(SGL) 90

〈표 3-8〉 탄소복합체 분리판 소재 90

〈표 3-9〉 분리판 소재 물성 91

〈표 3-10〉 DOE target (2010년) for bipolar plate properties 93

〈표 3-11〉 Stack Test Condition 95

〈표 3-12〉 가정용 연료전지 개발 Roadmap ［NEDO, PEFC] 97

〈표 3-13〉 온도/AD 측정 사양 113

〈표 3-14〉 DA 출력 사양 113

〈표 3-15〉 DO 출력 사양 114

〈표 3-16〉 1kW 계통 인버터 사양 116

〈표 3-17〉 하이브리드 독립형 연료전지용 인버터 사양 118

〈표 3-18〉 평가항목 및 시스템 상태 134

〈표 3-19〉 흡음제 종류에 따른 소음 수준 152

가정용 고분자 연료전지 시스템 실증운전을 통한 성능분석 174

〈표 2-1〉연료 전지 시스템 실증 평가를 위한 일반작인 측정 요소 189

〈표 3-1〉원격 모니터링 채널별 계측 물리값들과 범위 198

〈표 3-3〉프로판 연소반응 계산 256

〈표 3-4〉메탄 연소반응 계산 257

〈표 3-5〉에탄 연소반응 계산 258

〈표 4-1〉연차별 연료전지 보급계획을 기반으로 한 경제적 파급효과 예상 누적치 277

〈표 4-2〉주택용 연료전지의 국내시장 전망 279

연료전지용 셀스택 및 독립형 시스템 실증평가 287

〈표 3-1〉 PEMFC 시스템 사양 314

〈표 3-2〉 가습기 온도의 Setting 327

〈표 3-3〉 AC Loader 전력 측정부 사양 341

〈표 3-4〉 Product Gas Composition 344

〈표 3-5〉 3kW급 Battery Hybrid 연료전지 시스템 사양 346

[그림 1-1] 전기분해와 연료전지 비교 19

[그림 1-2] 연료전지와 기존의 발전방식의 비교 22

[그림 1-3] 산성비의 효과 22

[그림 1-4] 가정용 고분자 연료전지 시스템의 모델 24

[그림 1-5] 가정용 고분자 연료전지의 사용 가상도 24

[그림 1-6] 가정용 연료전지 열병합발전 시스템의 효율 25

[그림 1-7] 일본 가정용 연료전지 시스템 제 2 기 실증사업 고장회수('05년 10월~12월) 29

[그림 2-1] 마츠시타(파나소닉)과 에바라발라드 가정용 연료전지 33

[그림 2-2] 산요전기(왼쪽), 도시바 IFC(중앙), 마츠시타 전기(오른쪽) 33

[그림 2-3] 신일본 석유 가정용 연료전지 시스템 설치 사진 34

[그림 2-4] 토후가스 가정용 연료전시 실제 설치 사진 34

[그림 2-5] Tokyo gas 연료변환기와 탈황제 39

[그림 2-6] Osaka Gas 평판형 연료변환기 40

[그림 2-7] Idemitsu 등유 연료변환기 41

[그림 2-8] Fuji Electric사의 연료변환기 41

[그림 2-9] SK(주) 1kW급 연료변환기 외관 42

[그림 2-10] 한국에너지기술연구원 1kW급 연료변환기 외관 43

[그림 2-11] GS퓨얼셀 1.0kW, 1.5kW급 연료변환기 외관 43

[그림 2-12] PEMFC 분야 한ㆍ미ㆍ일의 특허 출원 동향 분석범위:'2003.12(출처 : 한국특허정보원, 2005.11) 47

[그림 2-13] NEXA (Power Module, 1kW class) 48

[그림 2-14] 가정용 연료전지 시스템용 Stack 48

[그림 2-15] Ebara Ballard사의 가정용 연료전지 시스템 49

[그림 2-16] Sanyo의 연료전지 스택 및 가정용 연료전지 시스템 49

[그림 2-17] GenSys［5kW] , LIPA프로그램일환으로 Mcdonald's restaurant에 설치된 Plug Power사의 분산형 연료전지 시스템 50

[그림 2-18] GenCore［5kW] , Plug Power 사의 Stack Power Module 50

[그림 2-19] Nuvera 사의 Avanti 51

[그림 2-20] (a) Hydrogenics사의 스택파워모듈, (b) Nedstack사의 스택,(c) Matsushita사의 스택, (d) ZBT사의 공랭식 스택 52

[그림 3-1] 수증기 연료변환기 구성 56

[그림 3-2] 1.5kW급 GS퓨얼셀 연료변환기 평가 60

[그림 3-3] 1.5kW급 연료변환기 외관 60

[그림 3-4] 1.5kW 연료변환기 개질가스 농도 및 열효율 62

[그림 3-5] 1.5kW 연료변환기 온도 변화 62

[그림 3-6] 1.5kW 연료변환기 Anode-off recycle실험 64

[그림 3-7] 1.5kW 연료변환기 장기 운전 결과 65

[그림 3-8] 1.5kW 가정용 연료전지 시스템 내에서 G5퓨얼셀 연료변환기 장기운전 결과 66

[그림 3-9] 1.5kW급 가정용 연료전지 시스템내의 연료변환기 2,000시간 운전결과 66

[그림 3-10] 연료전지 작동원리 68

[그림 3-11] 고분자 전해질 연료전지의 일반적인 분극 곡선 70

[그림 3-12] 스택의 설계 및 제작/평가 흐름도 74

[그림 3-13] 연료전지 스택 manifold 유동현상 76

[그림 3-14] 대면적 60셀 셀스택의 셀 별 가스유입량 분포 78

[그림 3-15] Manifold type B의 5셀 sub-stack 셀전압 분포 78

[그림 3-16] Manifold type A의 5셀 sub-stack의 셀전압 분포 79

[그림 3-17] 200㎠ 셀스택의 셀전압 분포 79

[그림 3-18] (a) 정밀 액상 토출장치와 로봇머신, (b) 균일하게 도포된 액상 가스켓, (c) 불균일하게 도포된 액상 가스켓, (d) 불균일하게 도포되어 분리판 유로를 침범한 액상 가스켓. 85

[그림 3-19] 자동화 액상 토출기의 운전 프로그램 86

[그림 3-20] 연료전지 스택 체결용 유압 프레스 88

[그림 3-21] 분리판의 종류에 따른 Sub-stack 성능 곡선 92

[그림 3-22] Graphite bipolar plate를 이용하여 제작한 스택의 성능곡선 93

[그림 3-23] Composite bipolar plate를 이용하여 제작한 스택의 성능곡선 94

[그림 3-24] 스택온도가 60도 일 때 가습상태에 따른 스택의 성능곡선 96

[그림 3-25] 스택온도가 70도 일 때 가습상태에 따른 스택의 성능곡선 96

[그림 3-26] 연료전지 스택 내구성 평가 98

[그림 3-27] 1.0kW class stack 100

[그림 3-28] 1.0kW class stack의 연료 종류에 따른 성능곡선 100

[그림 3-29] Cell voltage distribution 101

[그림 3-30] 부하에 따른 1.3kW class stack의 셀전압 표준편차의 변화 102

[그림 3-31] 1.5kW class stack 103

[그림 3-32] 1.5kW class stack의 연료 종류에 따른 성능곡선 103

[그림 3-33] (a) 1.5kW class stack의 성능곡선, (b) Cell Voltage distribution 104

[그림 3-34] DSS 운전시 스택의 온도 변화 106

[그림 3-35] DSS 운전시 스택의 압력 변화 106

[그림 3-36] DSS 운전시 스택의 셀전압 변화 107

[그림 3-37] DSS 운전시 셀전압 분포 107

[그림 3-38] 1.0kW 연료전지 시스템에서의 스택의 실증평가 결과 108

[그림 3-39] WSS 운전에서의 스택의 운전전압 특성 109

[그림 3-40] 연속운전시 스택의 운전전압 특성 109

[그림 3-41] 1.5kW 연료전지 시스템에서의 스택 실증평가 결과 110

[그림 3-42] 제어 시스템의 구성 개념도 112

[그림 3-43] 펌프 구동장치 115

[그림 3-44] 펌프 구동장치 회로도 115

[그림 3-45] 시스템 운전구조 119

[그림 3-46] 시스템 운전 순서 121

[그림 3-47] 초기/준비단계(Standby/Waiting) 121

[그림 3-48] 시작단계(Starting) 121

[그림 3-49] 정상운전단계(Running) 122

[그림 3-50] 정지단계(Shutdown) 122

[그림 3-51] 제어 화면 1:시스템 운전 현황 124

[그림 3-52] 3kW 하이브리드 연계 독립형 시스템 제어프로그램 화면. 125

[그림 3-53] 가정용 연료전지 시스템 개념 127

[그림 3-54] 연료전지 열병합 시스템 연결 모식도 138

[그림 3-55] 천연가스/질소/상수도 라인 설치 140

[그림 3-56] 연료전지용 배전반 141

[그림 3-57] 연료전지 시스템용 배기구 141

[그림 3-58] GS퓨얼셀 연료전지 시스템 설치도 142

[그림 3-59] GS퓨얼셀 가정용 연료전지 시스템 설치 사진 142

[그림 3-60] 1.5kW 시스템 기동/정지 운전 특성 144

[그림 3-61] 기동특성 연료소비, 발전개시 및 정격도달 시간 144

[그림 3-62] 정지특성-내부요인으로 인한 정지시 연료소비 특성 145

[그림 3-63] 정지특성-외부요인으로 인한 정지시 연료소비특성 146

[그림 3-64] 1kW 가정용 연료전지 열병합 시스템의 전기 및 열효율 147

[그림 3-65] 1kW 가정응 연료전지 열병합 시스템의 Cogen. 유량 및 온도 147

[그림 3-66] 1.5kW 시스템의 단기운전 데이터 (108시간) 149

[그림 3-67] 도시가스의 압력변동 및 온도변동에 따른 시스템 성능 관찰 150

[그림 3-68] 대기온도 변동에 따른 시스템 성능변동 및 열 균형 151

[그림 3-69] 1kW 가정용 연료전지 열병합 시스템의 성능곡선 (1차년도) 153

[그림 3-70] 1kW 가정용 연료전지 열병합 시스템의 성능곡선 (2차년도) 154

[그림 3-71] 1kW 가정용 연료전지 열병합 시스템의 장기운전 결과 154

[그림 3-72] 1.5kW 시스템 1차년도 전기 출력 특성 155

[그림 3-73] 1.5kW 시스템 2차년도 전기 출력 특성 156

[그림 3-74] 1.5kW 시스템 2차년도 효율 특성 156

[그림 3-75] 3kW 가정용 연료전지 하이브리드 시스템 157

[그림 3-76] 하이브리드 연동 운전의 출력 특성 158

[그림 3-77] 연료전지용 배기가스 평가 장치 159

[그림 3-78] 연료전지용 AC loader 160

[그림 3-79] 가정용 연료전지 시스템의 효율 162

[그림 3-80] 천연가스 유량과 생산전력 163

[그림 3-81] 가정용 연료전지 시스템의 스택의 특성 164

[그림 3-82] 열 회 수 온도 164

[그림 3-83] 장기 운전에 따른 가정용 연료전지 시스템 효율 165

[그림 3-84] 장기운전에 따른 열회수 특성 166

[그림 3-85] 장기운전에 따른 스택의 특성 166

가정용 고분자 연료전지 시스템 실증운전을 통한 성능분석 172

[그림 1-1] 가정용 고분자 연료전지 시스템의 측정 및 운전성능 변수 177

[그림 1-2] 가정용 고분자 연료전지 시스템의 실증을 위한 세부 시스템 구성도 178

[그림 1-3] 한국에너지 기술연구원에서 개발한 가정용 고분자 연료전지 시스템의 모습 180

[그림 1-4] (주) 세티의 가정용 고분자 연료전지 시스템 181

[그림 1-5] 일본의 가정용 PEFC 보급기반 정비사업 183

[그림 1-6] 캐나다 발라드 분산전원용 연료전지 시스템 184

[그림 1-7] 북미, 유럽의 고분자 연료전지 시스템 185

[그림 1-8] 연료전지 실증사업이 진행 중인 사이트 186

[그림 3-1] 가정용 고분자 연료전지 시스템 설치 모습 197

[그림 3-2] 가정용 고분자 연료전지 시스템 실증실험이 수행된 한국에너지기술연구원 제로에너지타운 지하실험실 전경 199

[그림 3-3] 가정용 고분자 연료전지 시스템의 실증실험 발생물인 전기/온수 공급이 이루어진 한국에너지기술연구원 내솔라에너지 하우스 전경 200

[그림 3-4] 운전시간에 따른 입출력 전력 특성 (2005 가을) 202

[그림 3-5] 운전시간에 따른 출력 전압/전류 특성 (2005 가을) 203

[그림 3-6] 운전시간에 따른 출력전력과 시스템 출입 온수 온도 변화 특성 (2005 가을) 204

[그림 3-7] 운전시간에 따른 출력전력과 대기/연료/배기 가스의 온도 변화 특성 (2005 가을) 205

[그림 3-8] 운전시간에 따른 출력전력과 배기 가스의 온도변화 특성 (2005 가을) 206

[그림 3-9] 운전시간에 따른 출력전력과 연료가스의 유량 변화 특성 (2005 가을) 207

[그림 3-10] 운전시간에 따른 출력전력과 입출 온수의 유량 변화 특성 (2005 가을) 208

[그림 3-11] 운전시간에 따른 입출력 전력 변화 특성 (2005 겨울) 210

[그림 3-12] 운전시간에 따른 출력 전압/전류 변화 특성 (2005 겨울) 211

[그림 3-13] 운전시간에 따른 출력전력 및 시스템 입출 온수 온도 변화 특성 (2005 겨울) 212

[그림 3-14] 운전시간에 따른 출력전력 및 대기/연료/배기 가스 온도 변화 특성 (2005 겨울) 213

[그림 3-15] 운전시간에 따른 출력전력 및 배기 가스 온도 변화 특성 (2005 겨울) 214

[그림 3-16] 운전시간에 따른 출력전력과 연료가스 온도 변화 특성 (2005 겨울) 215

[그림 3-17] 운전시간에 따른 출력전력과 입출 온수의 유량 변화 특성 (2005 겨울) 216

[그림 3-18] 운전시간에 따른 입출력 전력 변화 특성 (2006 봄) 219

[그림 3-19] 운전시간에 따른 출력 전압/전류 변화 특성 (2006 봄) 220

[그림 3-20] 운전시간에 따른 출력전력 및 시스템 입출 온수 온도 변화 특성 (2006 봄) 221

[그림 3-21] 운전시간에 따른 출력전력 및 대기/연료/배기 가스 온도 변화 특성 (2006 봄) 222

[그림 3-22] 운전시간에 따른 출력전력 및 배기 가스의 온도 변화 특성 (2006 봄) 223

[그림 3-23] 운전시간에 따른 출력전력과 연료 가스 유량 변화 특성 (2006 봄) 224

[그림 3-24] 운전시간에 따른 출력전력과 입출 온수의 유량 변화 특성 (2006 봄) 225

[그림 3-25] 운전시간에 따른 입출력 전력 변화 특성 (2006 여름) 227

[그림 3-26] 운전시간에 따른 출력 전압/전류 변화 특성 (2006 여름) 228

[그림 3-27] 운전시간에 따른 출력전력 및 시스템 입출 온수 온도 변화 특성 (2006 여름) 229

[그림 3-28] 운전시간에 따른 출력전력 및 대기/연료/배기 가스 온도 변화 특성 (2006 여름) 230

[그림 3-29] 운전시간에 따른 출력전력과 배기 가스의 온도 변화 특성 (2006 여름) 231

[그림 3-30] 운전시간에 따른 출력전력과 연료가스의 유량 변화 특성 (2006 여름) 232

[그림 3-31] 운전시간에 따른 출력전력과 입출 온수의 유량 변화 특성 (2006 여름) 233

[그림 3-32] 전력송전단에 접속된 PEFC시스템의 적산 전력계 236

[그림 3-33] 연료 유량계(Mass Flow Mcasurement) 237

[그림 3-34] 연료 압력계(4-20mA 출력) 238

[그림 3-35] 온수유량계 (5-20mA 출력) 239

[그림 3-36] 연료가스 적산 유량계 240

[그림 3-37] 가정용 연료전시 시스템 배기 장치 241

[그림 3-38] 전력 및 데이터 송출입 회로 242

[그림 3-39] 제로에너지 타운 내 온수 출입 배관 (솔라하우스로 연결됨) 243

[그림 3-40] UPS(Urgent Power Supply) System 244

[그림 3-41] 가스누출 경보기 및 자동 누설차단장치 245

[그림 3-42] 데이터 수집장치(YOKOGAWA, DC100) 246

[그림 3-43] 데이터 수집장치 (15채널 수집 유닛) 및 각종 물리값 표시액정의 모습 247

[그림 3-44] 단위 운전별 열/전기 효율 특성(HHV 기준) 259

[그림 3-45] 단위 운전별 열/전기 효율 특성(LHV 기준) 260

[그림 3-46] 시간에 따른 출력 및 온도 변화 특성 개략도 263

[그림 3-47] 가정용 고분자 연료전지 시스템의 시동-정지운전 특성을 분석하기 위한 대상단위 운전의 시간에 따른 출력전력 특성 264

[그림 3-48] 가정용 고분자 연료전지 시스템의 시동운전 특성 분석 265

[그림 3-49] 가정용 고분자 연료전지 시스템의 정지운전 특성 266

[그림 3-50] 가정용 고분자 연료전지 시스템 시동/정지 운전특성 (6일 연속운전 측정) 267

[그림 3-51] 운전 실패시 시스템 입출력 전력 특성 270

[그림 3-52] 시스템 입력 전력의 불안정 271

[그림 3-53] 운전 실패시의 입출력 전력 특성 272

연료전지용 셀스택 및 독립형 시스템 실증평가 285

[그림 2-1] 에바라밸라드의 1kW PEMFC 시스템 295

[그림 2-2] 마츠시타전기사의 1kW PEMFC 시스템 295

[그림 2-3] 산요전기의 시스템 외관 296

[그림 2-4] 도시바 IFC의 1kW PEMFC 시스템 297

[그림 2-5] 미쓰비시중공업의 가정용 연료전지 실증기 298

[그림 2-6] 전 세계 특허동향 300

[그림 2-7] 한국특허동향 300

[그림 2-8] 일본특허동향 301

[그림 2-9] 미국특허 동향 301

[그림 2-10] 유럽특허 동향 302

[그림 2-11] PCT 특허동향 302

[그림 2-12] 한.미.일 특허동향 303

[그림 2-13] 한국특허 동향 304

[그림 2-14] 일본특허 동향 304

[그림 2-15] 일본 회사별 특허동향 305

[그림 2-16] 미국의 특허 동향 305

[그림 3-1] Fuel Cell Testing System P&ID 312

[그림 3-2] 고분자 전해질 연료전지의 성능평가 장치 315

[그림 3-3] 전자부하기(3kW급 전자부하기) 316

[그림 3-4] Agilent 4338B milliohm meter(10μΩ~100㏀) 316

[그림 3-S] Test Program에서 실험자의 입력에 따른 유량값의 자동 결정 317

[그림 3-6] Fuel Cell Testing System Schematic Diagram 318

[그림 3-7] Anode Humidifier vs. Dew Point Temperature 320

[그림 3-8-A] Cathode Humidifier vs. Dew Point Temperature 321

[그림 3-8-B] Cathode Humidifier vs. Dew Point Temperature 322

[그림 3-8-C] Cathode Humidifier vs. Dew Point Temperature 323

[그림 3-9] Cathode Humidifier vs. Dew Point Temperature 324

[그림 3-10-A] Cathode Humidifier vs. Dew Point Temperature (normal) 325

[그림 3-10-B] Cathode Humidifier vs. Dew Point Temperature (normal) 326

[그림 3-11] 47셀의 스택 성능(P＝1atm, Tc＝70℃, Tf＝75℃, To＝75℃, Uf＝0.4℃, Uo＝0.7) 329

[그림 3-12] 단위 셀과 스택의 평균 단위 셀의 성능 비교 330

[그림 3-13] 47-cell 스택의 cell 전압 분포 331

[그림 3-14] 스택에서 단위전지의 전압손실 분석 332

[그림 3-15] 개회로 전압일 때 스택의 내부 저항 분포 333

[그림 3-16] 32A 및 32V(0.7V/cell) 일 때 스택의 내부 온도 분석 334

[그림 3-17-A] Anode의 연료가 순수 수소를 사용할 때의 전압 335

[그림 3-17-B] Anode의 연료가 혼합가스를 사용할 때의 전압 335

[그림 3-17-C] Anode의 연료를 순수수소를 사용할 때의 성능 336

[그림 3-17-D] Anode의 연료를 혼합가스를 사용할 때의 성능 336

[그림 3-18] 스택 연속 운전 평가 337

[그림 3-19] 독립형 연료전지 운전 성능 시험 main 화면 338

[그림 3-20] Config 화면 339

[그림 3-21] AC Loader 부하실험장치 340

[그림 3-22] 연료전지 스택 342

[그림 3-23] 연료전지 스택의 셀별 성능 342

[그림 3-24] 연료변화장치와 그 평가 장치 344

[그림 3-25] 연료변환장치 (Fuel Processor) 성능 345

[그림 3-26] 주변기기(BOP) 345

[그림 3-27] 3kW급 Battery Hybrid 연료전지 시스템 346

[그림 3-28] 운전에 따른 발전효율 347

[그림 3-29] Average Cell Voltage 348

[그림 3-30] 열 회수 효율 349