초록 ▼

현재 수소는 스팀 메탄 개질 방법, 부산가스(염소-가성소다 공정의 부산물) 정제, 물을 전기분해하는 방법에 의해 수소를 생산하고 있으며 경제적인 관점에서 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 방법은 수소 1NM3당 4.5 ～ 5 kWH의 비교적 높은 에너지가 소모되나, 일 300NM3 수소/hr 이하에서는 다른 제조 방법보다 경제성이 있으며, 공정이 매우 간단하며 운전이 편리하고, 제조되는 수소의 순도가 매우 높은 장점이 있다.
현재 수소 제조비용을 가능한 낮추는 것이 미래 수소 에너지 사회를 구현하는데 가장 중요한 문제로 수전

현재 수소는 스팀 메탄 개질 방법, 부산가스(염소-가성소다 공정의 부산물) 정제, 물을 전기분해하는 방법에 의해 수소를 생산하고 있으며 경제적인 관점에서 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 방법은 수소 1NM3당 4.5 ～ 5 kWH의 비교적 높은 에너지가 소모되나, 일 300NM3 수소/hr 이하에서는 다른 제조 방법보다 경제성이 있으며, 공정이 매우 간단하며 운전이 편리하고, 제조되는 수소의 순도가 매우 높은 장점이 있다.
현재 수소 제조비용을 가능한 낮추는 것이 미래 수소 에너지 사회를 구현하는데 가장 중요한 문제로 수전해조의 경우 다음과 같은 방향에서 연구, 개발, 생산이 집중화 되고 있다.
본 연구는 수전해에 요구되는 전기에너지 소비량을 줄이는 방법으로 전극 촉매 개발, 전기분해셀 구조개선(고압형, 막전극접합체), 새로운 분리막의 개발 등의 방법 즉 PEM형을 중심으로 고압화, 고전류밀도화에 개선된 결과를 얻었다.
막전극 접합체에서 백금량을 감소하기 위한 연구는 백금을 대체하는 금속촉매 전극의 개발과 다공성 TiO2 분체에 촉매를 코팅하여 표면적을 극대화하는 연구를 진행하여 소기의 성과를 거두었다.
본 연구의 2단계 최종 연구결과로 수소 발생기 시스템의 성능은 전류밀도 1A/m2, 온도 50℃, 압력 13기압에서 스택효율 72%수준(72.2%)이다. 이 효율은 이는 2008년 말 기준의 성능으로 DOE 2010년 목표로 하는 값 76%에 근접하는 결과 치를 보여주고 있다.
본 연구의 0.5/hr 시스템의 내구성 평가 목표 시간은 약 5,000 시간 평가할 계획으로 진행하고 있으며, 현재까지 현장에서 약 10개월 이상(8,000시간) 운영 중에 있으며, 현재까지 이상 상황은 없었다. 실험실 규모의 가속화 내구성 평가 및 현재까지의 운영 결과로부터 약 4년 이상의 내구성을 가질 것으로 추정된다.

Abstract ▼

Because of the limited fossil energy, the recent surge of oil prices up and global warming issues, green energies are actively developing in many countries.
One of these alternative energy, importance of hydrogen energy is already widely known to the international community.
Hydrogen is reco

Because of the limited fossil energy, the recent surge of oil prices up and global warming issues, green energies are actively developing in many countries.
One of these alternative energy, importance of hydrogen energy is already widely known to the international community.
Hydrogen is recognized as eco-friendly environmental energy due to not produce any pollutant except a trace of NOx if using hydrogen as fuel combustion. Therefore,because the United States, Japan, Germany and other developed countries concentrate their energies on energy issues and environmental problems, the hydrogen development in energy technology has been payed effort for.
Gas reforming process, one of the current methods for generating hydrogen, is used most ,however it is not a good idea for long term solution for environment because it is still using fossil energy and depleting it. Other hydrogen production methods are pyrolysis, electrolysis, biological method, and other various ways. However, electro-chemical hydrogen production by electrolysis of water comes into the most popular techniques with wild ways such as wind energy, solar energy and etc in long term period. Hydrogen market increases in demand(5~10% increase a year) on petrochemical industry, electronics, materials, semiconductor industry, steel industry, aerospace industry. Also if the next-generation transportation, fuel cell cars are in practical use, the potential of the market is estimated to be enormous.
Therefore, to seize the economic & technological priority in the oversea market for hydrogen energy industry, originality in technology and application technology is very important, and to expand the base of the industry through the activation of new businesses are desperately needed.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...3
• 초록 ...5
• 요약문 ...7
• SUMMARY ...14
• 목차 ...21
• 제1절 연구개발의 목적 및 필요성 ...29
• 1. 사회.경제적 중요성 ...29
• 2. 과학.기술적 중요성 ...29
• 제2절 연구개발의 범위 ...31
• 1. 1차년도(2006. 05 ～ 2007. 03) ...31
• 2. 2차년도(2007. 04 ～ 2008. 03) ...32
• 3. 3차년도(2008. 04 ～ 2009. 03) ...32
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ...34
• 제1절 국내외 기술 개발 현황 ...34
• 1. 국외 동향 ...34
• 2. 국내 타 연구기관 연구 ...34
• 제2절 연구결과가 국내외 기술 개발 현황에서의 위치 ...36
• 1. 연구개발 내용 및 결과 ...36
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ...39
• 제1절 막전극 접합체의 백금 대체 금속 촉매 개발 및 연구 ...39
• 1. 서론 ...39
• 2. MEA 제조 공정 연구 ...39
• 3. Pt/M/Pd MEA전극의 제조 ...39
• 가. Pt전극의 제조 ...41
• 나. Pd전극의 제조 ...41
• 다. Pt-Pd전극의 제조 ...41
• 4. Pt/M/Pt-Pd MEA 전극의 특성 확인 ...44
• 가. 형태학적 분석 ...44
• 나. 전기화학적 분석 방법 ...50
• 다. XRD 분석 ...54
• 라. 물 전기 분해에 의한 수소 제조 효율 ...60
• 5. Pt/M/Ni MEA 제조 ...67
• 가. 도금욕 조제 ...67
• 나. Pt/M/Pt MEA 제조에서 한 면에 무전해 니켈 도금 ...67
• 다. Pt/M/Ni MEA 제조 ...70
• 6. 백금 대체 촉매 성능비교 ...70
• 7. Nafion 212 연구 ...73
• 가. 실험내용 ...73
• 나. 실험결과 ...73
• 8. 스케일 업 연구 ...78
• 제2절 PEM형 수전해 시스템 및 구성요소 ...80
• 1. 서론 ...80
• 2. PEM 수전해의 원리 ...80
• 3. PEM형과 알카라인 전해와의 비교 ...83
• 4. 연료전지와의 비교 ...83
• 5. 수전해 시스템의 구성 ...84
• 가. 수전해 시스템의 요구조건 및 구성요소 ...84
• 나. 수전해 시스템의 주요 구성요소 ...85
• 다. 수전해시스템의 운영 방법 ...89
• 라. 수전해시스템의 설계시 중요 관점 ...94
• 마. 압력조절 방법(고압 운전) 38) ...94
• 바. 수전해 시스템의 현황39) ...95
• 제3절 수전해 스택의 구성 요소 개발 및 연구 ...98
• 1. 스택 평가용 수전해 시스템의 설계 ...98
• 가. 순수와 산소의 운영 시스템 ...98
• 나. 수소가스 운영 방법 ...101
• 2. 스택 설계시 고려할 사항 ...102
• 가. 스택 구조 해석식 도출 ...102
• 나. 스택 운전 시 발생하는 문제점 ...105
• 3. 스택의 구성 요소 개발 및 평가 ...106
• 가. 스택의 구성요소의 조립 ...106
• 나. MEA ...106
• 다. 분리판 개발 ...106
• 라. 급전체 개발 ...110
• (1) 급전체 종류 변경에 따른 조전압 변화 ...110
• (2) 급전체 코팅 종류에 따른 조전압 변화 ...110
• 마. 가스？ 개발 ...114
• 4. 소형 스택(반응직경 100mm) 설계 및 실험 결과 ...114
• 5. 대형(반응직경 200mm) 스택 설계 및 실험 결과 ...116
• 가. 대형 상용화 규모(반응직경 200mm) 스택의 제작 ...116
• 나. 대형(반응직경 200mm) 스택 설계 및 실험 ...119
• 다. 대형 스택 실험 결과 ...123
• 제4절 3Nm3/hr 수소발생기 운전 ...136
• 1. 3 Nm3 H2/hr 수소발생기 제작 ...136
• 2. 3 Nm3 H2/hr 수소발생기 구성 및 운전 방법 ...136
• 3. 3 Nm3 H2/hr 수소발생기 실험 결과 ...136
• 4. 재생에너지와 연계성 ...141
• 제5절 장기간 내구성 테스트 결과 ...143
• 1. 장기간 수명 예측 ...143
• 2. 초기 가동 특성 ...143
• 3. 내구성 테스트 ...143
• 제6절 연구개발 결과 ...148
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ...149
• 제1절 연도별 연구개발 목표의 달성도 ...149
• 1. 1차년도(2006.05 ~ 2007.03) ...149
• 2. 2차년도(2007.04 ~ 2008.03) ...149
• 3. 3차년도(2008.04 ~ 2009.03) ...149
• 제2절 관련분야의 기술 발전에의 기여도 ...150
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ...151
• 제1절 추가 연구의 필요성 ...151
• 제2절 타 연구에의 응용 ...151
• 제3절 기업화 추진방안 ...152
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ...153
• 제7장 참고문헌 ...154