Hydrogen is a clean, endlessly produced energy and it is easy to store and transfer. So, hydrogen is regarded as next generation energy. Among various ways for hydrogen production, the way to produce hydrogen by water electrolysis can effectively respond to fossil fuel's depletion or climate change....
Hydrogen is a clean, endlessly produced energy and it is easy to store and transfer. So, hydrogen is regarded as next generation energy. Among various ways for hydrogen production, the way to produce hydrogen by water electrolysis can effectively respond to fossil fuel's depletion or climate change. As interest in hydrogen has increased, related research has been actively conducted in many countries. In this study, we analyzed the performance characteristics and safety of water electrolysis system. In this study, we analyzed the performance characteristics and safety of water electrolysis system. The items for safety performance evaluation of the water electrolysis system were derived through analysis of international regulations, codes, and standards on hydrogen. Also, a prototype of the overall safety performance evaluation station was designed and developed. The demonstration test was performed with a prototype $10Nm^3/h$ class water electrolysis system that operated stably under various pressure conditions while measuring the stack and system efficiency. At 0.7MPa, the efficiency of the alkaline water electrolysis stack and the system that used in this study was 76.3% and 49.8% respectively. Through the GC analysis in produced $H_2$, the $N_2$ (5,157ppm) and $O_2$ (1,646 ppm) among Ar, $O_2$, $N_2$, CO and $CO_2$ confirmed as main impurities. It can be possible that the result of this study can apply to establish the safety standards for the hydrogen production system by water electrolysis.
Hydrogen is a clean, endlessly produced energy and it is easy to store and transfer. So, hydrogen is regarded as next generation energy. Among various ways for hydrogen production, the way to produce hydrogen by water electrolysis can effectively respond to fossil fuel's depletion or climate change. As interest in hydrogen has increased, related research has been actively conducted in many countries. In this study, we analyzed the performance characteristics and safety of water electrolysis system. In this study, we analyzed the performance characteristics and safety of water electrolysis system. The items for safety performance evaluation of the water electrolysis system were derived through analysis of international regulations, codes, and standards on hydrogen. Also, a prototype of the overall safety performance evaluation station was designed and developed. The demonstration test was performed with a prototype $10Nm^3/h$ class water electrolysis system that operated stably under various pressure conditions while measuring the stack and system efficiency. At 0.7MPa, the efficiency of the alkaline water electrolysis stack and the system that used in this study was 76.3% and 49.8% respectively. Through the GC analysis in produced $H_2$, the $N_2$ (5,157ppm) and $O_2$ (1,646 ppm) among Ar, $O_2$, $N_2$, CO and $CO_2$ confirmed as main impurities. It can be possible that the result of this study can apply to establish the safety standards for the hydrogen production system by water electrolysis.
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문제 정의
수전해 시스템 후단에서 생산되는 수소는 100% 순수 수소가 아니다. 따라서 수소 내부에 불순물을 일부 포함하고 있다는 가정 하에 시료를 채취하여 순도시험을 수행하고 시스템의 효율을 보정하고자 하였다.
본 실험을 통해 수전해 시스템의 안전성 확보 방안을 확인할 수 있었으며, 본 연구 결과를 토대로 수전해 시스템의 평가 기준을 마련하여 국내 수전해 시스템의 성능과 안전성을 확보하고 보급 활성화에 기여하고자 하였다.
. 본 연구에서는 수전해 시스템의 성능과 안전에 영향을 미칠수 있는 평가 항목인 시스템 효율, 수소 가스 순도, 압력 등을 도출하고 안전성능 평가 실증 실험시, 압력 및 투입되는 전력량과의 상관관계를 확인함으로써 신재생에너지 연계 수전해 수소 제조 시스템의 안전기준을 마련할 수 있는 기초 자료를 확보하고자 하였다.
본 연구에서는 수전해 시스템의 정확한 효율 및 안전성을 평가하기 위해 시스템에서 발생되는 수소의 순도를 측정하는 실험을 실시하였다. 수전해 시스템이 정격조건에 도달한 후 0.
본 연구에서는 수전해 안전성능 평가 장치를 통해 효율, 발생 수소의 품질 등 수전해 시스템의 안전 성능 실증실험을 실시하였다. 수전해 시스템으로는 알칼리 전해액(수산화칼륨 수용액, KOH)을이용하여 90℃ 이하에서 물을 전기분해하는 알칼리 수전해 시스템을 사용하였다.
수소 발생 압력에 따른 수전해 시스템의 안전성능 변화를 관찰하기 위해 3 bar, 5 bar, 7 bar의 압력 조건에서 실험을 진행하였다. 본 연구에서는 시스템 효율 측정 및 발생 수소의 순도 측정 실험에 대한 실험조건(system pressure, electric energy, time 등)을 명확하게 확립한 후 실험을 진행하여 정량적인 데이터를 얻고 이를 활용하여 신뢰성을 확보하고자 하였다.
제안 방법
10 Nm3/h급 알칼리 수전해 시스템에서 정류기와 PLC에 소모되는 전력을 제외하고 순수한 스택의 효율을 측정하기 위해 같은 조건에서 실험을 진행 하였다. 0.
수전해 시스템의 안전성능 평가는 크게 수전해 시스템의 효율과 발생되는 수소의 순도를 분석하는 두 가지 방법으로 실험하였다. 먼저 효율 측정 실험은 정격의 전력 조건에서 수전해 시스템이 안정 상태에 도달한 후 일정 간격으로 power supply 와 control panel에서 소모되는 전류와 전압 그리고 수소 토출부에서 발생되는 수소량을 측정하여 실험하였다. 수소의 순도 측정 실험은 정격의 전력 조건에서 수전해 시스템이 안전 상태에 도달한 후 시스템 후단의 수소 토출부에서 발생되는 수소를 샘플링하여 성분을 분석하였다.
본 연구에서는 친환경적인 수소 제조 방법으로 주목받고 있는 알칼리 수전해 시스템의 효율과 발생 수소의 순도 분석 실험을 통하여 안전성능을 분석하였다. 압력 및 투입 전력과 시스템 효율 사이의 상관관계를 분석한 결과, 본 연구에 활용한 10Nm3/h급 알칼리 수전해 시스템 시작품은 0.
5와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 비교적 무거운 성분인 이산화탄소(CO2)는 캐필러리형 컬럼(packed poraplot Q, PP-Q)을 이용하여 검출할 수있었지만 가벼운 성분인 아르곤(Ar), 산소(O2), 질소(N2), 일산화탄소(CO)는 검출시간이 짧아 충전형 컬럼(Molecularsieve 5a, MS-5A)으로 한 번 더 성분 분석을 진행하였다. 수분(H2O)의 경우, 함유 농도가 장비의 검출범위(400 μmol/mol)를 벗어나 분석이 어려워 이는 제외하였다.
수소의 순도 측정 실험은 정격의 전력 조건에서 수전해 시스템이 안전 상태에 도달한 후 시스템 후단의 수소 토출부에서 발생되는 수소를 샘플링하여 성분을 분석하였다. 성분 분석은 시료의 성분마다 이동상과 고정상에서 분배계수가 달라지는 원리를 이용하는 기체크로마토그래피(gas chromatography, GC)를 사용하였다. 분석기기는 열전도 도형 검출기(thermal conductivity detector, TCD)를사용하는 기체 크로마토그래피 장비(agilent technologies, 7890A-TCD)를 사용하였고 컬럼은 충전형 컬럼(molecularsieve 5a, MS-5A)과 캐필러리형 컬럼(packed poraplot Q, PP-Q)을 각각 1개씩 사용 하였다.
수소 발생 압력에 따른 수전해 시스템의 안전성능 변화를 관찰하기 위해 3 bar, 5 bar, 7 bar의 압력 조건에서 실험을 진행하였다. 본 연구에서는 시스템 효율 측정 및 발생 수소의 순도 측정 실험에 대한 실험조건(system pressure, electric energy, time 등)을 명확하게 확립한 후 실험을 진행하여 정량적인 데이터를 얻고 이를 활용하여 신뢰성을 확보하고자 하였다.
수소 발생량은 수전해 안전성능 평가 시작품의 수소 토출부 유량계를 사용하여 측정하였다. 발생된 수소량의 데이터는 Table 3에 함께 나타내었다.
먼저 효율 측정 실험은 정격의 전력 조건에서 수전해 시스템이 안정 상태에 도달한 후 일정 간격으로 power supply 와 control panel에서 소모되는 전류와 전압 그리고 수소 토출부에서 발생되는 수소량을 측정하여 실험하였다. 수소의 순도 측정 실험은 정격의 전력 조건에서 수전해 시스템이 안전 상태에 도달한 후 시스템 후단의 수소 토출부에서 발생되는 수소를 샘플링하여 성분을 분석하였다. 성분 분석은 시료의 성분마다 이동상과 고정상에서 분배계수가 달라지는 원리를 이용하는 기체크로마토그래피(gas chromatography, GC)를 사용하였다.
본 연구에서는 수전해 안전성능 평가 장치를 통해 효율, 발생 수소의 품질 등 수전해 시스템의 안전 성능 실증실험을 실시하였다. 수전해 시스템으로는 알칼리 전해액(수산화칼륨 수용액, KOH)을이용하여 90℃ 이하에서 물을 전기분해하는 알칼리 수전해 시스템을 사용하였다. Fig.
수전해 시스템의 안전성능 평가는 크게 수전해 시스템의 효율과 발생되는 수소의 순도를 분석하는 두 가지 방법으로 실험하였다. 먼저 효율 측정 실험은 정격의 전력 조건에서 수전해 시스템이 안정 상태에 도달한 후 일정 간격으로 power supply 와 control panel에서 소모되는 전류와 전압 그리고 수소 토출부에서 발생되는 수소량을 측정하여 실험하였다.
본 연구에서는 수전해 시스템의 정확한 효율 및 안전성을 평가하기 위해 시스템에서 발생되는 수소의 순도를 측정하는 실험을 실시하였다. 수전해 시스템이 정격조건에 도달한 후 0.7 MPa의 압력으로 안정화되었을 때 수소 토출부에서 발생하는 수소를 약 30분간 4.6 L 용기 2개에 샘플링하여 불순 물의 농도를 측정함으로써 수소의 순도를 분석하 였고 Fig. 5와 같은 결과를 얻을 수 있었다. 비교적 무거운 성분인 이산화탄소(CO2)는 캐필러리형 컬럼(packed poraplot Q, PP-Q)을 이용하여 검출할 수있었지만 가벼운 성분인 아르곤(Ar), 산소(O2), 질소(N2), 일산화탄소(CO)는 검출시간이 짧아 충전형 컬럼(Molecularsieve 5a, MS-5A)으로 한 번 더 성분 분석을 진행하였다.
실험은 수전해 시스템 시작품 안전성능 평가를 수행하기 위하여 국내 최초로 자체 설계하여 외부 제작사(ETIS)가 제작한 수전해 안전성능 평가 시작품을 이용하여 수행하였다. 수전해 안전성능 평가 시작품은 전력 검출부, 수소 검출부, 급수 및 수질 측정부, 온도/압력/유량/순도 검출부, 연결장치 및 지그부, 제어부(DAQ/PC 프로그래밍)의 6개의 장치부로 구성되어 있으며, 알칼리 수전해 외의 양이온 교환막 전해법에도 모두 적용 가능하도록 설계하였다. 제작한 수전해 안전성능 평가 시작품의 설계도와 장비 사진은 Fig.
2는 본연구에서 실제로 활용한 알칼리 수전해 시스템 시작품의 설계도이다. 실험은 수전해 시스템 시작품 안전성능 평가를 수행하기 위하여 국내 최초로 자체 설계하여 외부 제작사(ETIS)가 제작한 수전해 안전성능 평가 시작품을 이용하여 수행하였다. 수전해 안전성능 평가 시작품은 전력 검출부, 수소 검출부, 급수 및 수질 측정부, 온도/압력/유량/순도 검출부, 연결장치 및 지그부, 제어부(DAQ/PC 프로그래밍)의 6개의 장치부로 구성되어 있으며, 알칼리 수전해 외의 양이온 교환막 전해법에도 모두 적용 가능하도록 설계하였다.
대상 데이터
성분 분석은 시료의 성분마다 이동상과 고정상에서 분배계수가 달라지는 원리를 이용하는 기체크로마토그래피(gas chromatography, GC)를 사용하였다. 분석기기는 열전도 도형 검출기(thermal conductivity detector, TCD)를사용하는 기체 크로마토그래피 장비(agilent technologies, 7890A-TCD)를 사용하였고 컬럼은 충전형 컬럼(molecularsieve 5a, MS-5A)과 캐필러리형 컬럼(packed poraplot Q, PP-Q)을 각각 1개씩 사용 하였다.
실험에 사용한 알칼리 수전해 시스템 시작품(주진테크 제작, 데모사이트 운전)은 시간당 10 Nm3의 수소를 생산하도록 설계된 스택에 5 Nm3/h의 배관을 연결한 것으로 자세한 정보 및 구동조건은 아래 Table 2에 나타내었다.
성능/효과
6은발생 수소의 순도를 반영한 시스템의 효율이다. 기존에 활용한 수전해 시스템 효율 계산식에 수소의 순도를 곱해준 것으로 0.3 MPa, 0.5 MPa, 0.7 MPa 의 압력 조건에서 평균적으로 약 50% 수준의 시스템 효율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
440%의 효율을 나타냈으며 평균 약 50%의 효율을 안정적으로 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한 수전해 효율은 투입되는 전력의 범위를 어떻게 선정하느냐에 따라 크게 달라질 수 있음을 확인하였고, 시스템의 총 효율을 측정하기 위해서는 전해조 외의 통신(PLC)이나 각종 열교환기 등 시스템을 구동하기 위해 투입되는 총 전력을 산정 하는 것이 적절하다고 판단할 수 있었다. 또한 시스템의 온도 조절을 위해 투입되는 냉각수의 배열 회수 열을 활용한다면 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 방안이 될 것이라고 판단된다.
. 본 연구 결과에서는 수전해 시스템 효율이 압력 변화에 크게 영향을 받지 않고 거의 일정한 값을 나타내는 경향을 확인할수 있었다. 이는 수전해 시스템에 영향을 미칠 수 있는 요인이 다양하기 때문으로 파악되므로 압력과 효율 사이의 상관관계를 규명하기 위해서는 0.
대신 스택 전단에서 측정한 전력값을 대입하였다. 분석 결과 순도를 반영한 수전해 시스템의 스택 효율은 0.3 MPa에서 80.320% (4.371 kW/Nm3), 0.5 MPa에서 77.829% (4.511 kW/Nm3), 0.7 MPa에서 76.326% (4.599 kW/Nm3)임을 확인할 수 있었고 시스템 효율에 비하여 약 30% 정도 높은 값을 나타내는 것을 확인하였다. 이는 전력 공급 장치의 효율이 전체 수전해 시스템 효율에 큰 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 친환경적인 수소 제조 방법으로 주목받고 있는 알칼리 수전해 시스템의 효율과 발생 수소의 순도 분석 실험을 통하여 안전성능을 분석하였다. 압력 및 투입 전력과 시스템 효율 사이의 상관관계를 분석한 결과, 본 연구에 활용한 10Nm3/h급 알칼리 수전해 시스템 시작품은 0.3 MPa에서 49.825%, 0.5 MPa에서 48.433%, 0.7 MPa에서 48.440%의 효율을 나타냈으며 평균 약 50%의 효율을 안정적으로 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한 수전해 효율은 투입되는 전력의 범위를 어떻게 선정하느냐에 따라 크게 달라질 수 있음을 확인하였고, 시스템의 총 효율을 측정하기 위해서는 전해조 외의 통신(PLC)이나 각종 열교환기 등 시스템을 구동하기 위해 투입되는 총 전력을 산정 하는 것이 적절하다고 판단할 수 있었다.
599 kW/Nm3)임을 확인할 수 있었고 시스템 효율에 비하여 약 30% 정도 높은 값을 나타내는 것을 확인하였다. 이는 전력 공급 장치의 효율이 전체 수전해 시스템 효율에 큰 영향을 미칠 수 있음을 알 수 있었다.
후속연구
또한 수전해 효율은 투입되는 전력의 범위를 어떻게 선정하느냐에 따라 크게 달라질 수 있음을 확인하였고, 시스템의 총 효율을 측정하기 위해서는 전해조 외의 통신(PLC)이나 각종 열교환기 등 시스템을 구동하기 위해 투입되는 총 전력을 산정 하는 것이 적절하다고 판단할 수 있었다. 또한 시스템의 온도 조절을 위해 투입되는 냉각수의 배열 회수 열을 활용한다면 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 방안이 될 것이라고 판단된다.
수전해 시스템에서 발생되는 수소의 순도는 시스템의 성능과 안전성에 영향을 미칠 수 있으므로 적정 수준 이상으로 유지하는 것이 필요하다. 발생 되는 수소에 포함되는 불순물의 농도를 낮추기 위해 DI water의 수질 관리, 흡착제(molecular sieve tower 등)를 이용한 수분 제거, 안전한 시스템 제어 조건 확립 등 다양한 방법을 고려하여 적용해야 할 것이라고 판단되며, 시스템의 안전성 확보를 위해 수소 중 산소 농도뿐 아니라 산소 토출부의 산소 가스 중 수소 농도가 폭발 범위에 해당하지 않는지, 또 시스템에서 누출되는 가스는 없는지 지속적인 관리가 필요할 것으로 보여 진다. 또한 반응이 완전하게 진행되지 않을 경우, 잔존하게 되는 미 반응물에 대한 분리 방법에 대해서도 고려가 필요하다고 판단된다.
본 연구 결과에서는 수전해 시스템 효율이 압력 변화에 크게 영향을 받지 않고 거의 일정한 값을 나타내는 경향을 확인할수 있었다. 이는 수전해 시스템에 영향을 미칠 수 있는 요인이 다양하기 때문으로 파악되므로 압력과 효율 사이의 상관관계를 규명하기 위해서는 0.3-0.7 MPa보다 더 폭넓은 압력 범위에서 추가적인 실험을 수행하는 것이 필요해 보인다.
본 시스템으로부터 생산된 수소 기체 중 가장 높은 비율을 차지 하는 불순물은 질소이다. 질소는 DI water 내 용해된 질소에서 기인한 것으로 보이며 발생 수소의 순도를 높이기 위해 수전해 시스템에 투입하는 DI water의 수질을 깨끗하게 관리해야 할 것으로 판단된다. 또한 질소는 시스템 가동 전 내부에 잔류하던 성분들이 미처 purge되지 못한 것으로도 보이므로 시스템 가동 전 내부 기체 관리에 신경 써야 할것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
2030 신재생에너지 정책의 결과는 무엇인가?
이에 전 세계 각국에서는 기후변화협약, 도쿄의정서, 신 기후변화체제 협상 등을 추진하며 적극 대응하고 있고 특히, 국내에서는 신정부 출범과 함께 탈 원전, 탈 석탄발전을 목표로 2030 신재생에너지 정책 등을 추진하고 있다. 그 결과 에너지 패러다임이 나무와 석탄 중심으로 돌아가던 탄소 중심 경제에서 석유, 메탄을 거쳐 수소 중심 경제로 변화 하고 있다2). 수소는 청정하며 무한생산 가능한 에너지일 뿐 아니라 저장 및 수송이 용이하기 때문에 차세대에너지로 주목받고 있다3-5).
수전해 방식의 종류는 무엇이 있는가?
수전해 방식은 사용하는 전해질의 종류에 따라 알칼리 수전해법(alkaline electrolysis, AE), 양이온 교환막 전해법(proton exchange membrane electrolysis, PEM) 및 고온 수증기전해법(high temperature electrolysis, HTE)의 3가지 방법으로 분류할 수 있다. 수전해 기술별 특징을 Table 1에 나타내었다12,13).
수소를 얻을 수 있는 방법의 예는 무엇이고 기후변화에 대응하기 위해서 가장 기대되는 방식은 무엇인가?
수소는 탄화수소나 물로부터 수증기 개질, 부분 산화, 자열 개질, 직접분해, 열화학분해, 생물학적 분해, 광화학적 분해, 전기분해 등의 방법을 통해 수소를 추출함으로써 제조할 수 있는 데 이 중에서 순수한 물을 전기분해하여 수소를 제조하는 방식이 에너지 고갈 및 기후변화 문제에 대응할 수 있는 방법으로 기대되어 진다6-11).
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