연료전지 연구 동향 및 기술 분석

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연료전지 연구 동향 및 기술 분석

작성자: 김 상 원 박사 PEM(Polymer Electrolyte Membrane) 연료전지 기술은 효율이 높고 배기가스 배출이 낮아서 최근 전 세계적으로 주목 받고 있다. PEM 연료 전지는 고분자 전해질 멤브레인을 양성자 전도체로 사용하고, 백금 기반 전기화학 촉매를 사용하여 저온에서 전기화학 반응을 일으켜 수소를 전기로 변환시킨다. PEM 연료전지는 작동 온도가 낮고, 전력 밀도가 높으며 scale-up 이 용이하여 차세대 운송의 동력원으로 유망하다. 지난 10 년 동안 이 기술의 상용화에 상당한 발전이 있었다. PEM 연료 전지 버스는 현실적인 운전 환경에서 본격적인 기술 검증 단계에 도달하였고, 미국 에너지부가 설정한 궁극적인 25,000 시간 목표를 거의 충족하였다. 지금까지 Toyota 는 4,000 대 이상의 Mirai PEM 연료 전지 차량(FCV)을 판매하였고, 미국 전역에는 30 개 이상의 수소 주유소가, 독일에는 60 개 이상의 수소 주유소가 설치되어 운영되고 있다. 본 보고서에서는. PEM 연료 전지 기술의 최신 기술 동향을 제시하고, 연료 전지 설계 및 운영 제어를 위한 재료 및 물/열 수송 관리를 설명하고, 상용화를 위하여 기초 연구에 대한 필요성을 설명고자 한다.

１. PEM 연료전지 기술현황

PEM 연료 전지의 주요 응용 분야는 운송, 분산/고정 발전, 휴대용 발전 분야이다. 그림 1 과 같이 다양한 연료 전지 차량(FCV)이 개발 및 시연되었으며, 2018 년 중반까지 약 5000 대의 FCV 가 있었다[1]. 분산형 PEM 연료 전지 전력 시스템은 주로 소규모 전력 수요에 중점을 두었으며, 전력규모는 분산 전력의 경우 50–250kW 이고, 가정용 전력의 경우 10kW 미만이다[2]. 초기 설계에서는 연료 전지의 폐열을 가정용으로 사용할 수 있는 주거용 전원 공급 장치용 연료 전지를 고려하여 전반적인 효율성을 크게 높였다. 은행 및 통신 회사들은 정전을 방지하기 위하여 매우 높은 비용이 지불하기 때문에, 연료전지 백업 전원 시스템은 최근에 많은 관심을 받고 있다. 또 다른 유망한 분야는 노트북, 휴대전화 및 군용 무선/통신 장치와 같은 휴대용 전자 제품 또는 항공기 전력이다. PEM 연료전지는 수소연료가 있는 한 지속적인 전력을 공급할 수 있으며, 작은 크기로 제작하여도 효율의 손실은 없다. 항공 동력의 경우 PEM 연료전지는 직류 전력을 공급하고, 전력 밀도가 높으며,

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에너지 용량이 큰 장점이 있다[3]. Boeing 과 Airbus 는 PEM 연료 전지를 비행기의 보조 전원으로 사용하는 것을 고려하였고, 최근에는 장거리 드론에 PEM 연료전지를 적용하고자 한다. 현재, 여전히 존재하는 두 가지 주요 장벽은 내구성과 비용이다[12], [15]. 최첨단 연료 전지의 경우 백금족 금속(platinum group metal, PGM) 담지량이 감소함에 따라 내구성이 감소하므로 DOE 내구성 목표를 달성하는 동시에 비용 및 PGM 담지 목표를 달성하기 어렵다.

그림 1. 연료 전지 차량(FCV) 및 연료 전지 버스(FCB), 캘리포니아의 세 연료전지버스들은 모두 NREL 에 의한 Full-scale 기술 검증 단계임: Zero Emission Bay Area Demonstration Group led by Alameda-Contra Costa Transit District (AC Transit), American FCB Project at SunLine Transit Agency, and American FCB Project at University of California, Irvine (UCI).

Toyota 는 2017 년 Mirai FCV 를 출시했다. Toyota Mirai 연료 전지 시스템의 백금 촉매 담지량은 0.365 mg/cm² 으로, 수소전극(anode)에 0.05 mg/cm², 산소전극(cathode)에 0.315 mg/cm² 담지하였다. Toyota Mirai 연료 전지는 음극에 탄소 코팅된 티타늄 기반 다공성 유동장을 채택하였고, 외부 가습기를 제거하고 자체 가습에 이점이 있는 얇은

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멤브레인(~10μm)을 채택하여 연료 전지 스택의 무게와 부피를 줄였다[4]. Toyota Mirai 연료 전지 시스템은 2.0kW/kg (3.1kW/L) 출력 밀도와 114kW(153HP) 출력 성능을 가지고 있으며, 약 $59,000 에 판매되고 있다. 연료전지 자동차는 내연기관 자동차에 대한 가격경쟁력을 가지기 위하여 정부의 보조금이 필요하며, 추가 비용 절감 역시 필요하다.

DOE 내구성 테스트에서 Toyota Mirai 는 3,000 시간의 실제 주행을 통과했지만 DOE 에서 설정한 AST 프로토콜에서는 크게 실패했다. 1.0–1.5kV 사이클 AST 에 대해 촉매층(catalyst layer, CL) 두께가 ~10 에서 3μm 로 감소하면서 5,000 사이클 후에 성능이 크게 감소했다.

수명 목표는 2025 년까지 5000 시간 이상, 궁극적으로 자동차의 경우 8,000 시간, 버스의 경우 25,000 시간 이상이다. 비용 측면에서는 지난 10 년 동안 약 60%의 비용 절감을 달성했다. 현재 상태는 연료전지자동차의 연간 생산량 10 만대와 50 만대에 대하여 대해 각각 $50/kW 및 $45/kW 이고 연료전지버스는 2016 년 대당 180 만~250 만 달러 범위이다.

2020 년 및 궁극적인 DOE 목표는 FCV 의 연료 전지에 대해 각각 $40/kW 및 $30/kW 이고 FCB 의 경우 버스당 $600,000 이다[5]. 연료전지의 부품별 가격 비율을 연간생산량에 따라서 그림 2 에 분석하였다. 구성 요소 중 CL 은 주로 귀금속 촉매의 사용으로 인해 대량 생산에서 전체 연료 전지 비용의 40% 이상 차지한다. 미국 DOE 가 설정한 목표는 2020 년까지 0.125mg Pt/cm²이다. 100~250W 범위의 휴대용 연료전지 전력시스템의 현재 수준은 출력당 가격 $15/W 와 내구성능 2,000h 이고, 2025 DOE 목표는 출력당 가격 $5/W 와 내구성능 5000h 이다[5].

그림 2. 연료 전지 비용 분석[6].

연료전지의 재료와 제어, 및 설계의 연구 목표는 시스템 무게와 부피를 줄이고, 비용을 절감시키고 내구성과 성능을 향상시키는 것이다. 연료 전지 작동에서 연료 전지 성능을 제어하는 열 및 물질전달, 전기화학 반응 및 이온/전자 수송을 포함하여 여러 상호 연관되고 복잡한 현상이 발생한다. 현재 연료 전지 개발 단계에서 재료 개발, 기초 지식 습득, 분석

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모델 및 실험 도구 개발은 중요하다[2]. 비백금 촉매 및 전극 설계는 연료 전지 비용 절감에 매우 중요하고, 연료, 물 및 열 관리에 대한 고급 제어 전략은 시스템 비용 및 중량 감소 및 내구성 향상을 위해 중요하다. 운송 및 휴대용 발전은 PEM 연료 전지 응용 분야의 두 가지 주요 영역으로, 공간 및 무게 제약이 있고, 빠른 동적 전력을 요구한다. 전기 승용차, 다용도 차량, 버스의 출력은 20~250kW 이며, 소형 비행기나 드론의 출력은 100W 에서 수 kW 까지 다양하고, 휴대용 전원의 출력은 일반적으로 5~50W 이다.

２. 휴대용 PEM 연료전지

배터리 기술의 경쟁과 발전으로 인해 휴대용 연료 전지 부문은 지난 몇 년 동안 후퇴를 겪었다. 그림 3 에서 보는 바와 같이 휴대용 연료전지 출하대수는 2008 년 5,000 대에서 2014 년 21,000 대 이상으로 꾸준히 증가했지만, 2017 년 출하량은 2008 년 수준으로 다시 감소했다[7]. 총 휴대형 연료 전지 전력량은 2015 년에 정점을 찍었지만 지난 몇 년 동안 하락했다[7]. 이 부문에서 연료 전지는 소형 휴대용 전자 제품 및 기타 휴대용 기기, 비자동차 보조 전원 시스템(auxiliary power units, APU) 및 군용 시스템에 전원을 공급한다.

2012 년 휴대용 연료 전지 시스템 및 전력 출하량은 전년 대비 각각 174% 및 25% 증가했다.

이러한 증가는 부분적으로 소비자 가전용 마이크로 연료 전지 충전기의 도입으로 인한 것이다. 그럼에도 불구하고 2010 년대 중반에 몇몇 주요 연료 전지 회사는 생산을 중단하거나 다른 전력 장치로 전환했다.

그림 3. 휴대용 전력 부문의 연료전지 출하대수 및 발전량[2], [7], [8].

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British Intelligent Energy 는 UPP 연료 전지 충전기 제조를 중단하고 연료 전지를 스마트폰 및 드론에 통합하는 작업을 시작했다¹. 2019 년 Intelligent Energy 는 UAV 를 위한 새로운 2.4kW 연료 전지 전력 제품을 출시했다². 2017 년, 스웨덴 myFC³는 내장형 연료 전지를 통해 충전할 수 있는 보조 배터리인 JAQ Hybrid 를 출시했다. 또한 이 회사는 스마트폰에 바로 사용할 수 있는 얇은 연료 전지 시스템⁴을 공개하고 최근 스웨덴 라이프스타일 유통업체인 RLVNT 와 Lightec Japan 로부터 4,000 개의 JAQ 를 주문했다^5,6. 그러나 독일 eZelleron 은 지적 재산권 분쟁으로 인해 휴대용 연료 전지 충전기 Kraftwerk 의 출시를 취소했다⁷. 2017 년까지 미미한 판매량에도 불구하고 소비자 전자 제품은 휴대용 연료 전지의 잠재 시장으로 남아 있다. 급속 충전 옵션과 긴 전력 지속 시간 솔루션에 대한 수요는 특히 그리드 액세스가 제한된 지역에서 증가할 것으로 예상된다.

APU(보조 전원 장치) 응용 프로그램의 경우 일본 AquaFairy 는 비상 전원 장치에 마이크로 연료 전지 충전기를 시범 적용했다[7]. 덴마크 Serenergy 는 고온 PEM 기술을 활용하여 개질된 메탄올을 사용하는 350W 의 휴대용 공냉식 시스템과 2.5kW 및 5kW 의 수냉식 소형 연료 전지를 출시하였다. 싱가포르의 Horizon Fuel Cell Technologies 는 태양광(PV) 및 풍력 모듈과 함께 구성할 수 있는 100W 및 200W 급 휴대용 PEM 연료 전지 시스템을 개발하였다.

낮은 소음 및 열 신호, 높은 신뢰성, 빠른 재충전 및 높은 에너지 밀도로 인해 휴대용 연료 전지는 군사 애플리케이션을 위한 유망한 전원으로 간주된다[9]. 2015 년 Ballard Power Systems(Ballard)는 군대를 위한 전력 관리 및 휴대용 연료 전지 솔루션의 선두 개발업체인 Massachusetts 의 Protonex Technology Corporation 을 인수했다. 또한 Ballard 는 군인용 웨어러블 시스템을 위해 샌프란시스코에 기반을 둔 Ardica Technologies 에 연료 전지 전문 지식을 제공하는 데 동의했다. 싱가포르의 HES Energy Systems 는 최대 30W 연속 전력의 웨어러블 연료 전지를 상용화했다. 또한 Californian UltraCell 은 군용 휴대용 전력 솔루션을

1 Intelligent Energy, Internet Publication. <https://www.intelligentenergy.com>, 2018.

2 Intelligent Energy, Intelligent Energy leads UAV fuel cell power market with launch of 2.4 kW module

<https://www.intelligent-energy.com/news-andevents>, Internet Publication, 2019.

3 MyFC, Internet Publication. <https://myfcpower.com>, 2017.

4 MyFC Unveils Thinnest Fuel Cell at CES, Wins Good Design Award. Fuel Cells Bull., 2017(1) (2017) 7-7.

5 My H2. LIVE.Hydrogen reaches Leverkusen, Internet Publication, 2019. <https://h2.live/en/news/682>.

6 MyFC, MyFC gets repeat order from Japan <https://myfcpower.com/cision/news/A643E24AD1391389>, Internet Publication, 2019.

7 EZelleron Inc. Kraftwerk-highly-innovative-portable-power-plant. Internet Publication.

<www.kickstarter.com/projects/ezelleron/kraftwerk-highlyinnovative-portable-power-plant/updates>, 2015.

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개발하기 위해 여러 미국 정부 기관과 계약을 맺고 최대 165W 의 이동식 메탄올 개질유 시스템을 개발했다.

３. 운송용 PEM 연료전지

운송은 온실가스 제로 배출, 높은 에너지 변환 효율 및 높은 전력 밀도로 인해 PEM 연료 전지의 주요 응용 분야이다. 주요 자동차 회사들은 비용, 내구성, 냉간 시동 능력을 포함한 상용화의 주요 장벽을 극복하기 위해 PEM 연료 전지 기술을 광범위하게 개발해 왔다[2], [10], [11]. 많은 요구조건이 충족되었지만 비용을 줄이고 내구성을 향상시키기 위해서는 여전히 상당한 노력이 필요하다. 미국은 현재 5,000 대 이상의 FCV 와 30 개 이상의 수소 주유소를 보유하고 있다. 2018 년 12 월 LAX(로스앤젤레스 국제공항) 수소 충전소가 영업을 시작했으며, 이는 캘리포니아에서 39 번째 소매 수소 충전소이다. 2019 년 3 월, 독일의 H2 Mobility 파트너십은 2 개의 새로운 수소 주유소의 개설을 발표하여 독일의 총 소매 수소 충전소 수를 64 개로 늘렸다. 일본은 2030 년까지 800,000 대의 FCV 로드맵을 가지고 있다.

또한, PEM 연료전지를 배터리, 플라이휠, 슈퍼커패시터 등의 다른 에너지원과 결합한 연료전지 하이브리드 전기자동차(FCHEV)가 많은 주목을 받고 있다. 그림 4 는 여러 에너지원의 전력 및 에너지 특성을 보여준다.

그림 4. 에너지 저장 장치에 따른 에너지 밀도 및 출력 밀도 비교[12].

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현대⁸는 Tucson FCV 를 출시했고, 혼다⁹는 590 km 범위의 Clarity 를 출시했다. GM Heritage Center¹⁰는 5,000 명의 소비자가 총 483 만 km 를 주행한 119 대의 Equinox FCV 를 사용하여 2007 년에 시작된 Driveway 프로젝트를 완료했습니다. 극한의 현장 조건을 위해 GM Authority¹¹는 미 육군과 협력하여 94 kW 전력 연료 전지 시스템을 갖춘 Chevrolet Colorado ZH2 를 개발했다. ZH2 는 또한 전기화학 반응으로 병사들에게 시간당 8 리터의 물을 제공할 수 있다. 표 1 에서 몇 가지 주요 FCV 모델의 성능과 주행거리를 비교하였다. 최근 Mercedes- Benz¹²는 플러그인 하이브리드 모드에서 연료 전지와 배터리를 결합한 새로운 GLC-F- CELL 의 시제품 모델을 선보였다. GLC-F-CELL 은 700bar 미만의 약 4.4kg 의 수소연료로 약 480 km 거리를 주행할 수 있다.

표 1. 연료전지 자동차 성능 비교

차량모델 최대출력

연비 MPGe (City/Highway/

Comb)

출력밀

도 비출력 주행거리

Honda FCX Clarity Fuel Cell

2017 (available in market) 103 kW 69/67/68 3.12 kW

/L 1.98 kW/

kg 366 miles Toyota FCV Mirai

(available in market) 114 kW 67/67/67 3.10 kW

/L 2.00 kW/

kg

312 miles (122.4 L H2/70 MPa) Hyundai Tucson Fuel Cell

2016 (available in market) 100 kW 49/51/50 – – 265 miles

Roewe 950 Fuel Cell 2014

(concept) 57 kW (motor

capacity) – – –

249 miles (−20 °C cold

start capability) Volkswagen Golf

Hymotion 2014 (concept) 100 kW – – – 310 miles

Kia Borrego FCEV (concept)

110 kW (motor

capacity) – – –

685 km (−20 °C cold

start capability) Daimler GLC F-CELL

Hybrid SUV Plug-in ∼155 kW

Combined hydrogen consumption:

0.34 kg/100 k m

∼430 km (4.4 kg H2@700 bar

) + 51 km (Battery)

8 Hyundai Motor America, Nexo. The world’s only fuel-cell SUV

<https://www.hyundaiusa.com/tucsonfuelcell/index.aspx>, Internet Publication, 2017.

9 American Honda Motor Co., Inc., Internet Publication. <https://automobiles.honda.com/clarity-electric>, 2017.

10 GM Heritage Center, Internet Publication. <https://www.gmheritagecenter.com/featured/Fuel_Cell_Vehicles.

html>, 2017.

11 GM Authority, Internet Publication. <http://gmauthority.com/blog/gm/chevrolet/colorado/chevrolet-colorado- zh2/>, 2017.

12 Mercedes-Benz, Internet Publication. <https://www.mercedes-benz.com/en/mercedes-benz/vehicles/passenger- cars/glc/the-new-glc-f-cell/>, 2018.

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2003 년에 시작된 CUTE(Clean Urban Transport for Europe, 유럽을 위한 청정 도시 운송)의 확장 프로그램으로 Daimler 는 2009 년에 50% 효율과 250 km 범위의 함부르크 시에 새로운 Citaro 연료 전지 버스(FCB)를 납품했다. 미국에서는 30 개 이상의 FVB 가 운영되고 있으며 2017 년까지 약 1,700 만 명의 승객에게 서비스를 제공했다¹³. NREL 은 표 2 에 있는 3 개의 FCB 를 본격적인 검증의 기술적 준비 단계에 가까운 것으로 평가한다. 2015 년에 FCB 는 2016 년 내구 목표인 18,000h 를 초과했다. 2016 년에 해당 FCB 는 23,000h 에 도달했고 이는 최종 목표인 25,000h 에 거의 도달했다. 또 다른 FCB는 2016 년 7 월까지 18,293h 를 달성했다.

그러나 가격 및 운영 비용은 기존 디젤 버스에 비해 여전히 훨씬 높다. 2010 년 FCB 의 가격은 대당 약 250 만 달러였고. 2016 년에는 대당 평균 180 만 달러로 약 28% 감소한 것으로 나타났다. FCB 버스 40 대를 주문하면 대당 100 만 달러 정도의 비용이 소요될 것으로 예상하고 있다¹⁴.

표 2. 연료전지 버스(FCB)의 연료 전지 구성 및 연비 비교

ID 기간 연료전지

제작사 출력

(kW)

에너지 저장 제작사/저장

용량

수소저장 용량(kg)/압

력 (bar)

평균 속도 (mph)

주행거리 (mile)

kg 또는 GGEa 당 마일 ACT

ZEBA

8/15–

7/16

UTC

Power 120 EnerDel/

17.4 kWh 40/350 8.5 204 5.38

SL AFCB

8/15–

7/16 Ballard 150 A123/11 kWh 50/350 13.7 260 5.48

UCI AFCB

1/16–

7/16 Ballard 150 A123/11 kWh 50/350 N/A 244 5.15

FCV 외에도 비행기, 비행선 및 조선해양은 PEM 연료 전지 응용 분야의 잠재적 영역이다[13],[14]. 높은 에너지/출력 밀도의 연료 전지 시스템은 무인 항공기(UAV)용 주 발전소와 대형 항공기용 보조 동력 장치(APU)를 포함하여 두 가지 주요 측면에서 항공기 동력에 이상적이다. 유인 연료 전지 항공기를 조사하기 위해 여러 연구가 수행되었지만 아직 실용적인 연구 결과는 거의 보고되지 않았다. UAV 의 중요한 요구 사항은 소규모, 장기 내구성 및 장거리이다. AeroVironment 는 2003 년에 액체 수소 탱크와 함께 PEM 연료 전지로 구동되는 고고도, 장기 내구성(HALE) 항공기를 사용한 첫 시험 비행에 성공했다¹⁵.

13 S. Satyapal, Hydrogen and fuel cells porgram overview, US Department of Energy Annual Merit Review, June 13–

15, 2018, in Washington, D.C., 2018.

14 L. Eudy, Technology Validation: Fuel Cell Bus Evaluations (No. NREL/PR-5400-66177), National Renewable Energy Lab. (NREL), Golden, CO (United States),

2018.

15 Fuel Cell Bulletin, Fuel Cells Bull 2015 (7) (2015). 1-1.

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Millennium Cell Inc.¹⁶에서 개발한 화학 수소화물 연료 공급 기술을 채택하여 비행 범위가 최대 9 시간까지 향상되었다. NRL(Naval Research Lab)은 2006 년에 PEM 연료 전지와 수소 가스를 사용하여 최초의 3.3 시간 비행 테스트를 완료했다[15]. 2013 년에 NRL 은 탄소/알루미늄 압력 용기에 저장된 5000psi 압축 수소를 사용하여 550W 연료 전지 스택으로 구동되는 Ion-Tiger 의 48 시간 비행을 시연했다¹⁷. Blue Bird Aero System 은 2009 년에 최초의 상용 연료 전지 동력 UAV 중 하나를 개발했으며¹⁸, UTRC 는 20 분 비행 시간 동안 연료 전지 회전익기를 성공적으로 테스트했다[15]. 인하대학교는 14 분의 비행 시간을 기록하는 200W 스택의 경량 UAV 를 개발했다[16]. H3 Dynamics 는 500km 및 10 시간 비행을 위해 연료 전지 구동 고정익 드론인 HYWINGS 를 출시했다¹⁹. Ballard 의 자회사인 Protonex 는 최근 UAV 용 연료 전지 시스템 판매를 시작했다²⁰. 캐나다에 기반을 둔 PEM 연료 전지 회사인 EnergyOr Technologies 는 연료 전지 UAV 인 FAUCON H2 항공기로 10 시간 4 분 동안 미리 정해진 비행 계획을 실행한 장기 비행을 시연했다²¹. 표 3 에 연료 전지 구동 UAV 를 정리하였다.

스페인에서 Boeing 은 2008 년에 PEM 연료 전지에서만 생성된 전력으로 시속 60 마일로 약 20 분 동안 날개 폭이 16.3m 인 유인 2 인승 비행기를 테스트했다[17]. Antares DLR-H2 는 2009 년에 성능을 시연한 연료 전지로 완전히 구동되는 최초의 승무원 비행기 중 하나이다[18]. ENFICA-FC 프로그램을 기반으로 Skyleader Rapid 200 은 2010 년에 개발되었으며 40 분 비행이 가능했다. 2016 년에 소형 비행기 제조사(Pipistrel), 연료 전지 생산자(Hydrogenics), 울름 대학 및 독일 항공 우주 센터(German Aerospace Center)의 협력 그룹은 9kg 의수소 탱크 연료 전지 동력 2 인승 비행기인 HY4 의 비행을 독일 슈투트가르트 공항에서 테스트했다²².

16 Barnard Microsystems, Internet Publication. <http://www.barnardmicrosystems.com/UAV/milestones/fuel_cell.

html>, 2014.

17 K. Swider-Lyons, Ion Tiger Fuel Cell Powered UAV, Internet Publication, 2013.

<https://www.nrl.navy.mil/lasr/content/ion-tiger-fuel-cell-powered-uav>.

18 New Atlas Team, World’s First Commercial Fuel Cell Unmanned Aerial System, Internet Publication, 2009.

<https://newatlas.com/worlds-first-commercialfuel-cell-unmanned-aerial-system/12453/>.

19 T. Wankewycz, H3 Dynamics Launches HYWINGS, a Fuel Cell Electric UAV Capable of 10h Flights, Internet Publications, 2016. <https://www.businesswire.com/news/home/20161114005635/en/H3-Dynamics-Launches- HYWINGS-Fuel-Cell-Electric.

20 G. McAree, Ballard’s Protonex Subsidiary Receives First Order for Fuel Cell System to Power Commercial, Inter Publication, 2017. <http://ballard.com/modules-display/news-releases/2017/06/14/ballard-s-protonexsubsidiary- receives-first-order-for-fuel-cell-system-to-power-commercial-uavs>.

21 Fuel Cell Bulletin, Fuel Cells Bulletin 2011 (9) (2011) 4–5.

22 P. Ridden, Hydrogen Fuel Cell Four-Seater Passenger Plane Takes to the Air, Internet Publication, 2016.

<http://newatlas.com/hy4-hydrogen-fuel-cellpassenger-plane-test-flight/45687/>.

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PEM 연료전지도 대형 항공기의 APU 로 개발되고 있다²³. 보잉은 787-8 항공기 화물에 연료 전지 시스템을 1.5MW APU 로 통합했는데, 이 시스템은 하강 및 착륙 시 최대 전기 부하를 위한 조리실, 엔터테인먼트 장치 및 백업 소스에 전력을 제공했다²⁴. Airbus 는 DLR 과 협력하여 ATRA 연구 항공기(A320)를 위한 20kW 의 연료 전지 비상 전원 시스템을 테스트했다[19].

표 3. 연료전지 구동 무인 항공기(UAV).

기관 (연도) 동력원 연료 저장 방식 내구시간

Aerovironment, Inc.

(2005) PEM H2 Cryogenic 24 h

Naval Research Lab

(2006) PEM H2 Gaseous 3.3 h

CSULA/OSU

(2007) PEM H2 Gaseous 12 h

KAIST

(2007) PEM H2 Sodium Borohydride 10 h

AeroVironment

(2007) PEM H2 Sodium Borohydride 9 h

UTRC

(2009) PEM Compressed H2 20 min

AFL, Naval Research Lab

(2010) PEM Metal Hydride 10 h

EnergyOr Technologies

(2011) PEM H2 10 h 4 min

Boeing, Lokheed Martin

(2011) SOFC Propane 8 h

Naval Research Lab

(2013) PEM Compressed H2 48 h

H3 Dynamics

(2016) PEM H2 10 h

４. 참고문헌

[1] U. D. of Energy, “2019 – Fuel Cell R & D Summary of Annual Merit Review of the Fuel Cell R & D Sub-Program,” Renew. Sustain. Energy Rev., 2019.

23 S. Eelman, I.D.P. de Poza, T. Krieg, Fuel cell APU’S in commercial aircraft an assessment of SOFC and PEMFC concepts, 24th international congress of the Aeronautical sciences, ICAS 2004, 2004.

24 D.B. Curgus, K. Munoz-Ramos, J.W. Pratt, A.A. Akhil, L.E. Klebanoff, B.L.Schenkman, Proton Exchange Membrane Fuel Cells for Electrical Power Generation On-Board Commercial Airplanes (No. SAND2011-3119), Sandia National Laboratories, 2011.

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[2] Y. Wang, K. S. Chen, J. Mishler, S. C. Cho, and X. C. Adroher, “A review of polymer electrolyte membrane fuel cells: Technology, applications, and needs on fundamental research,” Applied Energy, vol. 88, no. 4. 2011, doi: 10.1016/j.apenergy.2010.09.030.

[3] C. Herwerth et al., “Development of a small long endurance hybrid PEM fuel cell powered UAV,” in SAE Technical Papers, 2007, doi: 10.4271/2007-01-3930.

[4] T. Yoshida and K. Kojima, “Toyota MIRAI Fuel Cell Vehicle and Progress Toward a Future Hydrogen Society A New Concept in Flow Field Structure,” Electrochim. Soc.

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