화석연료를 사용하는 선박이나 자동차는 $CO_2$가스를 과대하게 발생하므로 지구 온난화에 영향을 주기 때문에 화석연료 대신 수소를 사용하는 수소연료전지자동차(FCV)가 크게 각광을 받고 있다. 우리나라는 현대자동차가 FCV자동차를 미국, 일본, 독일 등의 선진국들의 자동차회사와 경쟁적으로 개발하고 있다. 수소는 제철소의 코크스 공장, 서유화학공장의 부산물로 얻으며, 석탄, 메탄가스 등을 고온에서 증기와 반응시켜서 메탄 수증기개질법과 압력스윙흡착법 또는 막분리형멤브레인개질 법을 이용한 수소분리형개질방법으로 고순도 수소를 제조하거나 물을 전기분해하여 제조한다. 수소는 전자공업, 금속 및 화학공업, 로켓 연료 및 공장, 병원, 가정용 등의 연료전지시스템이나 FCV의 연료로 사용하고 있다. 수소의 저장은 수소용기에 수소를 압축하는 방법과 액화수소로 저장하는 방법이 일반적이고, 최근 수소화물이나 유기화학하이드라이드법으로 저장하여 수소스테이션에 운반해서 사용한다. 우리나라는 현재 13개소의 수소스테이션이 가동 중에 있으며, 향후 43개소를 설치할 계획이다.
화석연료를 사용하는 선박이나 자동차는 $CO_2$가스를 과대하게 발생하므로 지구 온난화에 영향을 주기 때문에 화석연료 대신 수소를 사용하는 수소연료전지자동차(FCV)가 크게 각광을 받고 있다. 우리나라는 현대자동차가 FCV자동차를 미국, 일본, 독일 등의 선진국들의 자동차회사와 경쟁적으로 개발하고 있다. 수소는 제철소의 코크스 공장, 서유화학공장의 부산물로 얻으며, 석탄, 메탄가스 등을 고온에서 증기와 반응시켜서 메탄 수증기개질법과 압력스윙흡착법 또는 막분리형멤브레인개질 법을 이용한 수소분리형개질방법으로 고순도 수소를 제조하거나 물을 전기분해하여 제조한다. 수소는 전자공업, 금속 및 화학공업, 로켓 연료 및 공장, 병원, 가정용 등의 연료전지시스템이나 FCV의 연료로 사용하고 있다. 수소의 저장은 수소용기에 수소를 압축하는 방법과 액화수소로 저장하는 방법이 일반적이고, 최근 수소화물이나 유기화학하이드라이드법으로 저장하여 수소스테이션에 운반해서 사용한다. 우리나라는 현재 13개소의 수소스테이션이 가동 중에 있으며, 향후 43개소를 설치할 계획이다.
The earth has been warming due to $CO_2$ gas emissions from fossil fuel cars and a ship. So the hydrogen fuel cell vehicle(FCV) using hydrogen as a fossil fuel alternative energy is in the spotlight. Hyundai Motor Company of Korea and a car companies of the US, Japan, Germany is developin...
The earth has been warming due to $CO_2$ gas emissions from fossil fuel cars and a ship. So the hydrogen fuel cell vehicle(FCV) using hydrogen as a fossil fuel alternative energy is in the spotlight. Hyundai Motor Company of Korea and a car companies of the US, Japan, Germany is developing a FCV a competitive. Obtained hydrogen as a by-product of the coke plant, oil refineries, chemical plants of steel mill, coal is reacted with steam at high temperatures, methane gas, manufacture of high purity hydrogen Methane Steam Reforming and hydrogen detachable reforming method using the Pressure Swing Adsorption or Membrane Reforming technical or decomposition of water to produce electricity. Hydrogen is the electronic industry, metal and chemical industries, which are used as rocket fuel, etc. are used in factories, hospitals, home of the fuel Ene.Farm system or FCV. And a method of storing hydrogen is to store liquid hydrogen and a method for compressing normal hydrogen to the hydrogen container, by storing the latest hydride or Organic chemical hydride method is used to carry the hydrogen station. Korea is currently 13 hydrogen stations in place and in operation, plans to install a further 43 places.
The earth has been warming due to $CO_2$ gas emissions from fossil fuel cars and a ship. So the hydrogen fuel cell vehicle(FCV) using hydrogen as a fossil fuel alternative energy is in the spotlight. Hyundai Motor Company of Korea and a car companies of the US, Japan, Germany is developing a FCV a competitive. Obtained hydrogen as a by-product of the coke plant, oil refineries, chemical plants of steel mill, coal is reacted with steam at high temperatures, methane gas, manufacture of high purity hydrogen Methane Steam Reforming and hydrogen detachable reforming method using the Pressure Swing Adsorption or Membrane Reforming technical or decomposition of water to produce electricity. Hydrogen is the electronic industry, metal and chemical industries, which are used as rocket fuel, etc. are used in factories, hospitals, home of the fuel Ene.Farm system or FCV. And a method of storing hydrogen is to store liquid hydrogen and a method for compressing normal hydrogen to the hydrogen container, by storing the latest hydride or Organic chemical hydride method is used to carry the hydrogen station. Korea is currently 13 hydrogen stations in place and in operation, plans to install a further 43 places.
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문제 정의
본고는 수소연료전지를 탑재하는 자동차와 가정, 공장이나 병원 등의 연료전지시스템(Ene.Farm)에 사용하는 수소의 새로운 제조법과 저장 및 운반에 관하여 조사 분석한 결과를 국가 발전을 위하여 이계통에 연구 하는 기술자들에게 정보를 전해주는데 목적이 있다.
이 연구는 연료전지자동차용 수소의 제조, 저장, 그리고 운반에 관한 최근 정보를 조사, 분석하여 관련 과학기술자에게 제공하므로서, 국가경제발전과 친환경사회 구축에 도움을 주고자 한다.
가설 설정
6) 사회에서 실제 사용하는 수소는 천연 가스(CH4)나 석탄 등의 화석연료를 원료로 사용하여 700 ~ 1000oC, 15 ~ 25기압 하에서 수증기에 의한 수증 기개질법(SMR : Steam Methane Reforming)과 shift반응에 의해 제조된다.7) 수소는 제철소의 코크스공장과 오일 정유공장에서 부산물로 생산된다. 또한 물을 전기분해, 가성소다제조공장에서 부산물로 수소를 생산하며, 바이오매스를 이용하여 수소를 생산하는 방법도 있다.
수소스테이션가동율과 온사이드와 오프사이드의 수소비용 1일에 대한 FCV 충전대수를 보면 건설비 반액보조금 50억원(2013년) 온사이드스테이션에서 FCV 20대/일 충전 시 수소비용은 약 2300원/m3 -H2, 120대/ 일 충전할 경우 약 700원/m3 -H2,으로 감소되는 현상을 보였다. 검토조건에서 수소스테이션의 충전능력을 300 Nm3/h, 건설비를 2013년도에 온사이드 보조금 반액 50억원, 오프사이드 반액 38억원을 가정하였다. 2025년 32조원의 수소차 선두주자를 선점하려는 목표로 한국 현대자동차와 일본, 독일 및 미국의 자동차회사들은 2015 년에 FCV를 6000대, 2015년에는 25만대의 생산하는 계회인데 현대 자동차는 2018년에 투싼 후속모델을 내놓고 세계시장점유율을 40 ~ 50%를 달성할 목표로 박차를 가하고 있다.
제안 방법
수소압축기 이후의 설비는 기본적으로 온사이드와 오프사이드는 공통이다. 수소를 고압으로 압축하여 축압기에 저장하고, FCV와 축압기의 압력 차이에 의해 분배기를 통하여 수소를 충전한다. 대유량의 압축기를 이용하여 수소를 가압하면서 직접 FCV에 충전할 수 있다.
대상 데이터
는 2000년도부터 NEDO 사업 중에서 수소분리막 모듈의 고성능화나 개질기 구조의 최적화와 실용화 기술개발을 하여왔다. 2008년도에 개량형 40 Nm3 /h급 MRF를 개발하여 종래의 SMR과 PSA를 이용한 40 Nm3 /h급 시험기와 개량형 MRF의 성능을 비교하여 Fig. 3에 제시하였다. 9)
일본의 Chiyoda Co.는 2013년에 OCH법의 실증 실험에서 MCH를 사용하였다. 데칼린계는 융점이 높고 액체로 하려면 용매가 필요하고 반응장치가 복잡하게 예상되며 또 사이크로헥산계도 냉한지에서 용매가 필요한 것 이외에 벤젠의 대량 사용은 국민이 수용하는 관점에서 곤란하다고 생각되기 때문에 MCH계를 선택하였다.
9mm), PdAg합금제 수소분리막 (막 두께 10 µm이하)와 Pd-Ni 양자 사이의 상호확산을 방지하기위한 다공질확산방지층(YSZ : 20 ~ 30 µm)이 배치되었다. 수소분리막은 확산방지층표면에 Pd를 무전해 도금한 다음 Ag를 전해도금한 수소분리막이 제조되었다.
그림에서 보는 바와 같이 각종 1차에 너지로부터 생산한 수소를 MCH형으로 저장시켜서 수소 사용처까지 운반하여 촉매에 의해 탈수소한 수소를 FCV, 엔에팜 및 각종 공업 이용처에 공급한다. 탈수소에 사용된 촉매는 나노Pt/알루미나 촉매이다. 약 10 nm의 미세한 세공이 가지런하게 분포된 알루미나담체에 1 nm의 Pt입자가 균일하게 담지 된 촉매를 활용하여 약 320oC에서 탈수소하고, 탈수소 후의 MCH 전환율은 95%이상, 톨루엔 선택율은 99%이상이다.
일본은 FCV의 주행거리를 늘리기 위하여 충전 압력을 고압화하는 현재 건설 중의 스테이션은 거의 70 MPa 충전할 수 있게 하여 자동차에 수소 충전은 3 분정도에 할 수 있게 건설하고 있다. 현제 건설되고있는 스테이션을 제외하고 30개의 수소스테이션 중의 반수이상이 온사이드스테이션이라 SMR 수소제조장치를 사용하고 있다. 오프사이드 스테이션은 근처에 수소 출하 거점이 있는 경우 설치조건이 되나 여분의 수소가 있으면 사용할 수 있는 양만 수송할 수 있는 이점이 있다.
성능/효과
(주)한국 에너지재료 부설연구소는 2010년에 고성능수소저장합금을 교육과학부, 21세기 프론티어연구개발사업에 의해 개발하였다.12) 개발된 Ti계수소저장합금은 1m3 부피에 수소 약 130 kg를 상온 상압 하에서 흡장할 수 있는 고성능 합금으로 수소 최대저장용량이 2.0 mass%이상이 고 기존의 수소저장합금 LaNi5보다 약33%의 우수한 이용효율을 확보하였다.
6에 각종 수소저장과 수송방법의 중량저장밀도 및 체적저장밀도를 제시하여 비교하였다.14) OCH법은 톨루엔에 수소를 고정시킨 MCH(Methylcyclohexane)계에서 7.1 wt%, 55.5 kg-H2/m3 , MCH계의 수소저장밀도는 6.1 wt%, 47.0 kg-H2/m3 이고 또 데칼린계의 수소저장밀도는 미국 에너지성의 개발목표 값인 6.5 wt%, 62.0 kg-H2/m3 에 비해 7.2 wt%, 64.9 kg-H2/m3 로서 높은 값이다.
수소를 액화저장하는 방법 은 수소를 −253oC까지 냉각하여 상압하의 수소체적에 비해 약1/800로 된 액화수소의 형으로 저장 및 수송한다. 17) 통상 압축가스에 비해 효율이 높고, 액화설비는 대규모이므로 설비비가 많이 든다.
2) Ti1.16Cr0.92Mn1.08은 33 MPa, 296 K에서 2 mass%의 수소를 흡장하고 압력을 강하하면 0.1 MPa까지 수소를 방출하는데 수소방출량(유효수소량)은 1.8 mass% (11 kgH2/100 l)이 다. 233K에서도 1.
40 Nm3 /h 용량의 개량기의 크기는 종래형의 SMR과 PSA를 이용한 제조장치의 1/3 ~ 1/2 정도로 축소되어 MRF의 콤팩트성이 실증되었다. NEDO 사업에 의한 연구개발을 통하여 신형 수소제조장치 HyGeia-A 300 Nm3 /h를 종래의 수소제조량 200 Nm3 /h의 장치에 비하여 능력은 1.5배 향상되고 설치면적은 40%삭감되었다.
Table 5에서 보는 바와 같이 가성소다, 제철소 및 석유정제 부산물로 사용하는 수소 제조가격은 저가로 비슷한 단가이고 화석연료 개질에서 운전만 고려했을 때 제조비용이 높게 보였으며 화력발전에 의한 제조비용은 부생수소의 3배 이상이고 풍력, 태양광을 이용하여 생산한 수소비용은 계통전력비용과 비슷한 경우와 약간 더 비용이 많이 드는 것으로 나타났다. 그러므로 현재 FCV나 에네팜 등에 사용하는 수소는 부생수소를 사용하는 상황이다.
3에서 보이는 바와 같이 시험기SMR의 성능곡선도 개량기MRF의 성능곡선에 병기하여 비교되었다. 개량기에서는 원료도시가스유량 11.2 Nm3 /h을 투입할 시, 수소제조량은 40.5 Nm3 /h, 수소순도는 99.999%, 수소제 조효율은 81.4%(HHV)의 성능을 보이고, 이 성능은 시험기에 비교하여 효율이 5포인트 향상되었다. 개량기의 전화율(도시가스가 개질된 가스비율)은 85%로서 시험기에 비하여 7포인트 향상되었다.
4%(HHV)의 성능을 보이고, 이 성능은 시험기에 비교하여 효율이 5포인트 향상되었다. 개량기의 전화율(도시가스가 개질된 가스비율)은 85%로서 시험기에 비하여 7포인트 향상되었다. 40 Nm3 /h 용량의 개량기의 크기는 종래형의 SMR과 PSA를 이용한 제조장치의 1/3 ~ 1/2 정도로 축소되어 MRF의 콤팩트성이 실증되었다.
수소를 동력으로 변환시키는 에너지시 스템은 엔진(내연기관)과 연료전지가 있다. 연료전지를 전기에너지로 변환할 수 있는 이론적 효율은 83%이며, 수소의 열에너지로부터 기계에너지로 변환할 경우의 에 너지 변환 효율은 최대 40% 정도이다.2) 그러므로 연료 전지 자동차 개발이 진행되어 2015년도부터 한국, 미국 일본, 독일 등의 선진국들이 상업화 실증에 돌입하고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수소연료전지자동차가 각광받는 이유는?
화석연료를 사용하는 선박이나 자동차는 $CO_2$가스를 과대하게 발생하므로 지구 온난화에 영향을 주기 때문에 화석연료 대신 수소를 사용하는 수소연료전지자동차(FCV)가 크게 각광을 받고 있다. 우리나라는 현대자동차가 FCV자동차를 미국, 일본, 독일 등의 선진국들의 자동차회사와 경쟁적으로 개발하고 있다.
수소는 무엇에 사용될 수 있는가?
2) 그러므로 연료 전지 자동차 개발이 진행되어 2015년도부터 한국, 미국 일본, 독일 등의 선진국들이 상업화 실증에 돌입하고 있다. 수소는 광석의 환원제, 암모니아제조, 석유정제, 광파 이버제조, 로켓연료, 연료전지자동차, 엔에팜(Ene.Farm), 수소제트비행기 등 다양한 동력기관에 사용할 수 있는 무공해 에너지이다. 수소의 제조는 석탄이나 메탄 등의 화석연료를 고온에서 수증기와 개질반응시키고 시프트 반응과 정제과정을 통하여 순수한 수소를 제조한다.
연료 전지 자동차 개발이 진행되어 상업화 실증에 돌입하게 된 것은 연료전지의 어떤 장점 때문인가?
수소를 동력으로 변환시키는 에너지시 스템은 엔진(내연기관)과 연료전지가 있다. 연료전지를 전기에너지로 변환할 수 있는 이론적 효율은 83%이며, 수소의 열에너지로부터 기계에너지로 변환할 경우의 에 너지 변환 효율은 최대 40% 정도이다. 2) 그러므로 연료 전지 자동차 개발이 진행되어 2015년도부터 한국, 미국 일본, 독일 등의 선진국들이 상업화 실증에 돌입하고 있다.
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