[논문]수소생산기술현황

주오심

doi:10.9713/kcer.2011.49.6.688

[국내논문] 수소생산기술현황
Hydrogen Production Technology 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.49 no.6, 2011년, pp.688 - 696

초록
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수소는 에너지를 방출하는 과정에서 부산물로 물만 배출하기 때문에 지속가능한 청정에너지원 중의 하나이다. 현재 세계적으로 사용되는 수소는 대부분 화석연료의 개질에 의해 생산되고 있으며 1kg 수소를 생산하는 과정에서 7kg 이상의 이산화탄소를 배출하고 있다. 수소를 생산하는 과정에서 투입되는 에너지와 자원이 지속가능하고 재생 가능해야 수소를 청정에너지원이라 할 수 있다. 바이오매스는 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원중의 하나인데, 그 이유는 바이오매스로부터 수소를 생산할 수 있으며 수소생산과정에서 발생하는 이산화탄소는 바이오매스 생산과정에서 소비되기 때문에 이론적으로 이산화탄소를 발생시키지 않는 에너지원이다. 태양에너지와 물로부터 수소를 생산하는 기술은 지구상에 널려있는 자연에너지와 물을 사용하기 때문에 인류가 직면한 에너지와 환경문제를 해결하기 위한 가장 이상적인 기술 중의 하나이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrogen is one of the few long-term sustainable clean energy carriers, emitting only water as by-products during its combustion or oxidation. The use of fossil fuels to produce hydrogen makes large amount of carbon dioxide (>7 kg $CO_{2}$/kg $H_{2}$) during the reforming processes. Hydrogen production can be environmentally benign only if the energy and the resource to make hydrogen is sustainable and renewable. Biomass is an attractive alternative to fossil fuels for carbon dioxide because of the hydrogen can be produced by conversion of the biomass and the carbon dioxide formed during hydrogen production is consumed by biomass generation process. Hydrogen production using solar energy also attracts great attention because of the potential to use abundance natural energy and water.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

9는 광촉매의 전도 대와 가전 자대에서 일어나는 산화, 환원반응을 보여준다. 광촉매에 의한 수소 제조 기술은 고활성 광촉매 소재개발에 치중하여 진행되었으며, 촉매조성 및 제조방법, 금속첨가물활용, 광감응제 복합활용 등을 통해 최적의 물리화학적 구조설계 및 합성을 시도하였다. 주로 자 외 광 활용 광촉매 개발이 주류를 이루고 있으며 일본의 도멘교수는 델라포사이트와 가시광을 활용하여 3 卜imol H₂/hr.
연구결과들은 Ishikawajima-Harima 중공업, Kubota Corp. 에서 유기폐기물의 전처리 및 효율적 발효, 광반응기설계등에 적용되었고, Kansai 발전소의 경우: 조류와 광합성 박테리아를 조합한 1, 100L 공정운전을 시도하였다. 독일에서는 수소생산 미생물의 생물학적, 생리적, 유전공학적 연구를 주로 진행하였으며 아헨공대와 ISA-tec에서는 광합성박테리아를 이용하여 2L/h.

성능/효과

입자형태로 사용하는 광촉매의 경우 전자가 빠르게 이동할 수 있도록 해주는 추진력이 크지 않아 전도대로 여기된 전자의 대부분이 재결합되어 광효율을 높이는데 한계가 있다. 반도체 물질을 이용한 박막전극 제조 후 광전기화학전지를 구성할 경우 전해질과 접촉한 전극내부에 강한 전기장이 형성되어 전도대로 여기된 전자가 빠르게 이동할 수 있는 추진력이 형성되어 전자-정공의 재결합이 방지되어 이론 효율이 32% 까지 크게 증가한다. 광전기화학전지는 n형 반도체물질로 구성된 양극과 백금과 같은 귀금속을 음극으로 하여 외부회로로 연결되어 수용액 전해질에 침지시켜 사용할 수 있다.
이것은 glucose 1몰로부터 생산할 수 있는 12몰의 수소중 33% 정도이지만, 동시에 생성된 아세테이트는 광합성 수소생산 기질로서 적당한 광조건과 광합성 박테리아에 의해 높은 효율로 수소를 생산할 수 있다. 이론적으로 glucose 1몰로부터 12몰의 수소를 생산할 수 있지만 실질적으로 수소생산 중에 발생하는 산도변화, 유기산 생성율은 수소생성 효율에 큰 영향을 주고, 제당 식품 폐수를 이용할 경우 이종의 박테리아나 폐수 중에 존재하는 금속이온 및 질소원 등 또한 수소생산 효율에 영향을 준다. 따라서 기질로부터 수소발생과 동시에 유기산의 축적을 최대화 할 수 있는 발효조건의 최적화는 생물학적 수소생산 공정의 주요변수이다.

후속연구

바이오매스 원료는 도처에 무한정으로 존재하고 자연계에서 계속 합성되고 있다. 따라서 광합성 미생물에 의한 수소생산은 화석연료의 대체 효과뿐만 아니라 폐기물과 폐수의 처리, CO₂ 배출감소에 따른 온실효과 완화 등이 가능하여 에너지 확보와 지구환경보호에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.
전 세계적으로 화석연료가 아닌 재생에너지원을 이용한 수소생산 기술 개발에 많은 나라가 참여하고 있으며 연료전지의 개발과 함께 앞으로도 많은 연구가 진행될 것이다. Table 5는 현재까지 진행되고 있는 수소개발 프로그램과 관련 국가들을 보여주고 있다.

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