초록 ▼

차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있는 수소 에너지를 이용한 발전기술인 고분자연료전지의 핵심 원천 및 응용기술에 대한 연구를 수행하였다. 고분자연료전지의 원천기술에 해당하는 CNT를 이용한 전극용 촉매 제조 기술과 고온용 고분자막에 대한 연구가 수행되었으며 응용기술로는 하이브리드 연료전지 미니 버스의 개발과 신재생에너지원과 수소에너지를 연계한 Hydrogen Power Park의 구축 및 연계 운전기술 확보에 대한 연구가 수행되었다.
이러한 연구는 향 후 고분자 연료전지의 상업화 및 수소 사회의 도래를 앞당길 수 있는 시금석이

차세대 청정 에너지원으로 각광받고 있는 수소 에너지를 이용한 발전기술인 고분자연료전지의 핵심 원천 및 응용기술에 대한 연구를 수행하였다. 고분자연료전지의 원천기술에 해당하는 CNT를 이용한 전극용 촉매 제조 기술과 고온용 고분자막에 대한 연구가 수행되었으며 응용기술로는 하이브리드 연료전지 미니 버스의 개발과 신재생에너지원과 수소에너지를 연계한 Hydrogen Power Park의 구축 및 연계 운전기술 확보에 대한 연구가 수행되었다.
이러한 연구는 향 후 고분자 연료전지의 상업화 및 수소 사회의 도래를 앞당길 수 있는 시금석이 될 것으로 기대된다.

Abstract ▼

The hydrogen as a next-generation energy can be effectively utilized by PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) system, and we are mainly investigated the PEMFC technology from fundamental research to practical applications. As a core technology research, CNT based electrode catalyst was Prepared

The hydrogen as a next-generation energy can be effectively utilized by PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) system, and we are mainly investigated the PEMFC technology from fundamental research to practical applications. As a core technology research, CNT based electrode catalyst was Prepared and high temperature PEM was also developed. As a application of PEMFC technology, fuel cell powered Hydrogen minibus was manufactured and operated and hydrogen power park was also constructed.
It is expected that the present study can be contributed to realize the commercialization of PEMFC technology and future hydrogen economy.

목차 Contents

• I. 연료전지 미니버스 제작...46
• 제 1 장 연구 개발 과제의 개요...47
• 제 1 절 연구 개발 필요성...47
• 1. 경제.산업적 측면...47
• 2. 사회.문화적 측면...48
• 3. 기술적 측면...48
• 제 2 절 연구 개발 목표 및 내용...49
• 1. 개발 목표...49
• 2. 개발 내용...49
• 제 3 절 국내.외 기술 개발 현황...51
• 1. 문헌조사...51
• 2. 기술 개발 과제...55
• 제 2 장 시스템 개념 설계 및 해석...57
• 제 1 절 연료전지 버스 개요...57
• 1. 연료전지/2차전지 하이브리드 미니버스 레이아웃...57
• 2. 연료전지/2차전지 하이브리드 미니버스 성능 요구서...58
• 제 2 절 시뮬레이션 기반 성능 해석...59
• 1. 미니버스용 연료전지 시뮬레이터 개발...59
• 가. 연료전지/2차전지 하이브리드 미니버스의 제어전략...60
• 나. 하이브리드 미니버스의 제어 1: Step Control...62
• 다. 하이브리드 미니버스의 제어 2: Fuzzy Control...63
• 라. 하이브리드 미니버스의 성능평가 지표...65
• 마. 하이브리드 미니버스의 요구 부하...66
• 바. 연료전지 모델...66
• 사. 배터리 모델...68
• 아. Air Blower 모델...70
• 자. 전력 변환기 모델...70
• 2. 성능해석...71
• 가. 연료전지/2차전지 하이브리드 미니버스의 성능 해석...72
• 나. Fuzzy Control 적용 시 성능 해석...72
• 제 3 장 연료전지 시스템 구성 및 명가...76
• 제 1 절 시스템 개요...76
• 1. 전체 P&I Diagram...76
• 2. 구성품 List, 제원 표기...77
• 제 2 절 연료전지 스택 및 2차전지...79
• 1. 연료전지 스택 및 2차전지 성능 요구서...79
• 가. 연료전지 스택 성능 요구서...79
• 나. 2차전지 성능 요구서...80
• 2. 연료전지 스택 개념 설계...80
• 3. 연료전지 스택 단품 설계...82
• 가. 분리판 설계...82
• 나. 엔드판 설계...92
• 다. 가스켓 설계...92
• 4. 단위전지/500W급 스택 제작 평가...94
• 가. 성능 평가...94
• 나. 최적 운전 조건 설정...97
• 5. 25kW급 스택 모듈 제작 평가...103
• 가. 스택 모듈 설계...103
• 나. 스택 모듈 조립 및 성능 평가...112
• 다. 스택 성능 및 운전 사양서...119
• 제 3 절 연료 공급 장치...123
• 1. 서론...123
• 가. 소개...123
• 나. 관련 연구...125
• 다. 연구방법...126
• 라. 기호 설명...127
• 2. 본론...128
• 가. 단일 고정노즐 이젝터의 문제점...128
• 나. 가변적 복식 이젝터 개발...128
• 다. 스택 운전 특징을 반영한 이젝터의 설계 포인트...136
• 라. 시험 장치 및 시험...137
• 3. 결과...140
• 가. 실험 조건...140
• 나. 단일 이젝터 실험결과...141
• 다. 단일 이젝터 및 복식 이젝터의 순환율 예측 모델...142
• 라. 가변적 복식 이젝터 제어...142
• 마. 가변적 복식 이젝터 실험 결과 및 토의...143
• 제 4 절 전력변환장치 및 축전지...145
• 1. 전력변환장치...145
• 2. 연료전지 버스용 축전지의 사양 및 특성...147
• 3. 축전지 관리 (BMS)...151
• 가. 축전지 SOC 제어 필요성 및 개념...151
• 나. BMS을 위한 SOC 계산 알고리즘...151
• 제 5 절 운전 장치...157
• 1. 공기공급장치...157
• 가. 송풍기...157
• 나. 가습기...158
• 2. 열 및 물관리 장치...160
• 가. 물 펌프/보조 물펌프...160
• 나. 테프론 물 탱크...164
• 다. 라디에이터(Radiator)...165
• 라. Deionizer...166
• 마. 유량계...167
• 바. conductivity sensor...167
• 제 6 절 브레드 보드(Bread Board) 시스템 및 성능평가...169
• 1. 브레드 보드 시스템 개요...169
• 2. 브레드 보드 구성...169
• 3. 브레드 보드 운전 및 시스템 성능평가...179
• 제 4 장 연료전지 버스 운전제어 시스템...186
• 제 1 절 전력제어기법...187
• 제 2 절 자동차 제어장치(VCU)...188
• 1. 사양...188
• 2. 전기도면...189
• 제 3 절 연료전지시스템 제어(FCU)...193
• 1. 외관 및 크기...193
• 2. 외접 플러그...193
• 3. 제어알고리듬 순서도...196
• 제 4 절 스택감시 장치(Stack Monitoring Unit)...204
• 1. 제어 Unit Chip의 연결...204
• 2. 전단 스위치 변환 Unit Chip의 연결...205
• 제 5 장 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도...208
• 제 1 절 목표 달성 평가 및 결과 고찰...208
• 제 2 절 관련분야 기여도...209
• 제 6 장 연구 개발 결과의 활용 계획...211
• 참고문헌...212
• II. 수소.연료전지 통합기술 개발 실증사업...213
• 제 1 장 서론...215
• 제 1 절 사업 개요...215
• 1. 사업 배경 및 필요성...215
• 2. 사업 목표 및 내용...216
• 제 2 절 국내외 사업 동향...218
• 1. 국외 사업 동향...218
• 가. 미국...218
• 나. 일본...228
• 다. 유럽...231
• 라. 기타...237
• 2. 국내 사업 동향...240
• 가. 수소에너지 연구...240
• 나. 연료전지 연구...240
• 다. 신재생에너지 발전 시스템 연구...241
• 라. 수소.연료전지 통합기술 실증단지...242
• 제 2 장 본론...243
• 제 1 절 통합 실증 단지 개념 설계...243
• 1. 입지선정...243
• 가. 입지분석...243
• 나. 토지분석...243
• 다. 도로망 및 토지이용현황...243
• 라. 시각적 환경 요소...244
• 마. 지역현황 및 시사점...245
• 2. 통합 시스템 개념 설계...245
• 제 2 절 추적식 태양광 발전 시스템 구축...248
• 1. 개요...248
• 2. 추적형 태양광 발전시스템의 개요...249
• 가. 추적형의 필요성...249
• 나. 추적형 태양광 발전시설 개요...250
• 다. 추적형 태양광 발선시스템 구성...250
• 라. 설치 방식에 따른 PV 시스템 성능 시뮬레이션 분석...257
• 마. 설치 방식에 따른 PV 시스템 성능 분석...260
• 제 3 절 수전해 시스템 구축...263
• 1. 개요...263
• 2. 수전해 시스템 선정...264
• 가. 문헌 조사...264
• 나. 수전해 시스템 선정...269
• 3. 수전해 시스템 구축...272
• 4. 수소제조시스템 연계...280
• 가. 수소 배출 인터페이스...280
• 나. 수소 배출 라인 설치...280
• 다. 수소 생산 라인 설치...280
• 라. Air dilution interface와 integrated oxygen disposal...281
• 마. 냉각수 연계...282
• 제 4 절 연료전지 시스템 구축...285
• 1. 시스템 선정...285
• 2. 시스템 성능 시험...287
• 제 5 절 통합 시스템 연계 및 제어 설계...291
• 1. 전체 시스템 구성...291
• 2. 제어, 보호 및 감시 설비...291
• 가. 분산형 전원 배전계통 연계 기술 기준...292
• 나. 적용 규격...292
• 다. 사용 상태...292
• 라. 주요제품의 사양 및 성능...292
• 마. 감시/보호 설비...301
• 3. 전기품질 DB 구축...302
• 제 6 절 풍력 발전시스템 설계...311
• 1. 부지여건...311
• 가. 부지 분석...311
• 나. 풍력발전기 설치 위치...312
• 2. 신재생연구기지주변의 바람자원 분석...313
• 가. 행원지역의 풍황분석...313
• 나. 김녕지역의 풍황분석...317
• 3. 100kW급 풍력 발전기의 일반제원...322
• 가. 개요...322
• 나. 풍력발전시스템 운전모드 및 운전흐름도의 예...324
• 제 7 절 태양열 발전시스템 설계...327
• 1. 태양열 발전의 개요...327
• 2. 집광방식에 따른 태양열 발전의 분류...329
• 3. Dish형 태양열 발전시스템 국내.외 현황...330
• 4. Dish형 태양열 발전시스템 설계...332
• 가. 10kW급 태양열 발전시스템 구축에 적용되는 기본설계조건...334
• 나. Concentrator 설계...334
• 다. 반사경 제작을 위한 기초설계...337
• 라. Stirling 엔진 발전 시스템...338
• 제 8 절 수전해/연료전지 실험동 건축...345
• 1. 대지 현황분석...345
• 가. 대지현황...345
• 나. 대지형태...345
• 2. 건축계획...345
• 가. 배치계획...345
• 나. 평면계획...345
• 3. 재료마감계획...346
• 가. 재료선정방향...346
• 나. 재료의 설계기준...346
• 4. 건축개요...346
• 5. 수전해/연료전지 실험동 설계도면...347
• 6. 수전해/연료전지 실험동 시공경과...350
• 제 9 절 수소 저장 시스템 설계...353
• 1. 수소 저장 탱크 구성 및 사양...353
• 2. 수소의 주요 물성과 위험성 요인 검토...354
• 가. 수소가스의 주요 물성...355
• 나. 수소가스의 위험성요인...355
• 다. 수소가스의 안전성요인...356
• 3. 수소 저장 시스템 관련 법규 조사...356
• 가. 고압 수소 가스 관련 법령...357
• 4. 수소 저장 탱크 제작 및 설치...360
• 가. 수소 저장 탱크 설계...360
• 나. 수소 저장 탱크 현장 설치 작업...361
• 제 3 장 결론...365
• 제 1 절 당해 연도 사업 요약...365
• 제 2 절 향후 추진 계획...365
• 제 3 절 기대 효과 및 활용 방안...366
• 참고문헌...367
• III. 고온형 PEMFC 원천기술 개발...369
• 제 1 장 서론...371
• 제 2 장 본론...371
• 제 1 절 고온형 전해질막 개발...371
• 1. 탄화수소 계열 고분자 전해질막 개발...372
• 가. 술폰화 폴리에테르에테르케톤 전해질막 제조...372
• 나. 술폰화 폴리에테르에테르케톤 전해질막 특성 분석...372
• 다. 술폰화 폴리에테르에테르케톤 전해질막 연구 결과...375
• 2. 유기-무기복합체 고분자 합성 및 전해질막 제조...377
• 가. $Zr(HPO_4)_{2-x}(SPP)_x/SPEEK$ 복합막...377
• 나. 졸겔 공정을 이용한 $BPO_4/SPEEK$ 복합막...385
• 3. 산도핑 고분자 전해질막...395
• 가. 2,5-benzimidazole(ABPBI) 전해질막 제조...395
• 나. 2,3-dimethyl-1-octylimidazolium trifluoromethane sulfonate $(DMOImTf)/HCF_3SO_3$ 전해질막 제조...399
• 제 2 절 Catalyst coated membrane(CCM) 기초 개발 기술 확보...402
• 1. CCM 제조를 위한 ionomer binder 제조...402
• 2. CCM 제조를 위한 최적 용매 및 제조 방법 선정...403
• 제 3 장 결론...403
• 참고문헌...405
• IV. 탄소나노튜브의 촉매 담지 및 응용기술 개발...407
• 제 1 장 서론...409
• 제 1 절 연구배경...409
• 제 2 절 탄소나노튜브의 특성...410
• 1. 탄소나노튜브의 구조...410
• 2. 탄소나노튜브의 물성...410
• 가. 전기적 성질...411
• 나. 열적 성질...411
• 다. 기계적 성질...411
• 3. 탄소나노튜브의 합성 방법...412
• 가. 전기방전법...412
• 나. 레이저 증착법...412
• 다. 플라즈마 화학기상증착법...412
• 라. 열 화학기상증착법...413
• 마. 기상합성법...413
• 바. 전기분해법...413
• 사. Flame 합성법...414
• 4. 탄소나노튜브의 응용 분야...414
• 가. Emitter 및 FED 응용...414
• 나. 2차전지 전극 및 연료전지 응용...414
• 다. 극미세 전자 스위칭소자 응용...414
• 라. Mechatronics 및 고기능 복합체 응용...415
• 제 2 장 실험...416
• 제 1 절 실험 재료...416
• 제 2 절 실험 방법...416
• 1. 화학기상증착법에 의한 백금담지 탄소나노튜브 제조...416
• 가. 탄소나노튜브 제조 및 화학기상증착 장치 제작...416
• 나. 탄소나노튜브의 합성...418
• 다. 화학기상증착법에 의한 백금 담지(탄소나노튜브/그라파이트 종이)...419
• 라. 화학기상증착법에 의한 백금 담지(분말상 탄소나노튜브)...419
• 2. 전기화학적 방법에 의한 백금담지 탄소나노튜브 제조...420
• 가. 탄소나노튜브의 합성...420
• 나. 전기화학적 방법에 의한 백금담지 탄소나노튜브 제조...420
• 3. 표면 분석...421
• 제 3 장 실험결과 및 토의...422
• 제 1 절 화학기상증착법에 의한 백금 담지 탄소나노튜브 제조...422
• 1. 그라파이트 종이 표면에 니켈 담지...422
• 2. 그라파이트 종이 표면에서 탄소나노튜브 성장...423
• 3. 탄소나노튜브 표면에 백금 담지...425
• 제 2 절 전기화학적 방법에 의한 백금 담지 탄소나노튜브 제조...428
• 1. 그라파이트 종이 표면에 니켈 담지...428
• 2. 그라파이트 종이 표면에서 탄소나노튜브 성장...428
• 3. 탄소나노튜브의 표면에 전기화학적 방법에 의한 백금 촉매 담지...428
• 제 4 장 결론 및 향후 계획...430
• 참고문헌...432