초록 ▼

1. 단계목표 : 연소전 CO₂ 포집을 위한 탈 Pd 계 금속 복합막 개발
ㅇ H₂/CO₂ 분리를 위한 치밀질 복합분리막(cermet) 소재 기술개발 (3차년도 기준)
- 투과도 : 40 ml/min-cm² (del-P : 6.8 atm)
- 선택도 : H₂/CO₂ > 250 - 작동 온도 : 300~500℃
ㅇ 고압 H₂/CO₂ 분리를 위한 분리막 공정

1. 단계목표 : 연소전 CO₂ 포집을 위한 탈 Pd 계 금속 복합막 개발
ㅇ H₂/CO₂ 분리를 위한 치밀질 복합분리막(cermet) 소재 기술개발 (3차년도 기준)
- 투과도 : 40 ml/min-cm² (del-P : 6.8 atm)
- 선택도 : H₂/CO₂ > 250 - 작동 온도 : 300~500℃
ㅇ 고압 H₂/CO₂ 분리를 위한 분리막 공정 기술개발
- 수성가스전이반응 모사 분리막 전후단 압력에 따른 투과장치 개발
- 분리막 전후단 압력에 따른 CO₂ 포집공정 운전 자료 도출
2. 개발내용 및 결과
- 분리막 공정 기술 개발 : 고온, 고압형 수소 분리를 위한 분리막 공정을 개발하여 수소 투과 실험을 통해 복합 분리막의 성능을 평가하였음. 수소 분리 실험을 통해 선별한 분리막 조성으로 수성가스전이반응을 모사한 모델 가스(수소/이산화탄소, 수소/일산화탄소, 수소/이산화탄소/일산화탄소/황화수소)에 대한 투과 실험을 수행하였으며, 이를 통해 분리막의 안정성 및 내구성을 조사하였음.
- 분리막 단위 모듈 씰링 기술 개발 : 고온, 고압형 분리막의 투과 성능 개선 및 선택도 확보를 위해 유리계 세라믹 씰링, 브레이징(brazing) 방법, 나이프에지(knife edge) 방법, 골드링 (gold ring) 이용 flange type 씰링 등 다양한 고온 분리막 모듈 기술을 연구하여 최적화 하였음. 씰링 수준은 골드링 flange 방법을 적용했을 때 CO₂ 100% 공급 시 10 bar에서 0.04 ml/min·cm²를 넘지 않으며 수소/이산화탄소 선택도는 250 이상을 얻음.
- 탈 Pd계 신규 분리막 개발 : 수소, 이산화탄소/수소 분리특성 및 내구성 평가를 통한 선별 과정으로 바나듐 계열의 분리막 신조성을 5종 이상 개발하였음. V₈₅Al₁₀Co₅, V_99.8B_0.2, V₉₉Y₁, V₉₀Al_9.75Y_0.25, V_89.8Cr₁₀Y_0.2 조성의 바나듐계 분리막은 Pd 대비 1000의 1 수준의 재료비로 Pd보다 높은 투과도를 얻을 수 있었으며, V_99.8B_0.2 분리막의 경우 65 ml/min·cm² (P=5 bar, t=500μm, 400℃)의 최대 투과량에 도달함.
- 금속 간 확산 방지를 위한 산화막 개발 : 촉매층과 분리막층 사이 금속 간 확산에 의해 2차상이 생성되는 것을 방지하기 위한 산화막 성장 기술을 양극산화를 이용하여 개발하였으며, 전해질, 전압, 시간을 조절하여 산화 방지 barrier 층의 두께를 제어하는 기술을 개발함.
3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과)
ㅇ 기술적 측면
- 저가·고효율의 수소 분리막 조성 원천 기술 확보
- 초청정 고효율의 신발전 시스템(IGCC) 구현을 위한 핵심 기술 확보
- 수소정제, 수소스테이션 등에 적용 가능한 분리막 기술 확보
ㅇ 경제적 측면
- 2012년 온실가스 의무 부담 대비 연소전 CO₂ 포집 기술 확보
- 석탄가스화복합발전과 수소생산을 연계하여 고효율 발전 기술 확보
4. 적용분야
- 연소전 CO₂ 포집 공정용 핵심소재, 수소정제용 분리막, 수소스테이션, 수소 분리를 위한 반응분리 동시공정 등의 핵심 소재로 활용 가능

Abstract ▼

Pre-combustion CO₂ capture technology is recently focused on one of reduction methods of carbon dioxide from power generation system in view of environmental (climate change) and sustainable point (Hydrogen economy). Separation of hydrogen from water-gas shift reactors through dense hydro

Pre-combustion CO₂ capture technology is recently focused on one of reduction methods of carbon dioxide from power generation system in view of environmental (climate change) and sustainable point (Hydrogen economy). Separation of hydrogen from water-gas shift reactors through dense hydrogen transport membranes, while retaining CO₂ produces essentially pure hydrogen in the permeate and CO₂ at high pressure and high concentration, which is ideal for efficient sequestration of CO₂. To commercialize pre-combustion CO₂ capture process, the inexpensive CO₂/H₂ membrane with high permeability and high selectivity is required and also effective module design is necessary to investigate the performance and durability of membrane.
In this work, novel composite membranes have been developed to separate hydrogen from mixed gases such as hydrogen, hydrogen/carbon dioxide, hydrogen/carbon dioxide with CO or/and H₂S which are model gases of water gas shift reaction. In addition various modules (screw type horizontal reactor and flange type vertical reactor) and sealing methods (glass melting, brazing, knife edge and O-ring) were designed and optimized for permeation test of membrane. In the case of the flange type membrane module with metal double O-ring, it is possible to obtain very low level leakage of 0.04 ml/min·cm² in high pressure (10 bar) and temperature (400℃).
The hydrogen flux of membrane with various compositions was investigated as a function of temperature, partial pressure of hydrogen and model gas mixtures. Through the screening test, we have developed 5 different novel membranes with high hydrogen flux and stability; V₈₅Al₁₀Co₅, V_99.8B_0.2, V₉₉Y₁, V₉₀Al_9.75Y_0.25, V_89.8Cr₁₀Y_0.2. The price of these vanadium base metal alloy membranes were 1000 times lower than that of Pd membrane and in the case of V_99.8B_0.2 membrane with 500 μm thickness, the maximum flux of 65 ml/min·cm² and selectivity of 4000 were obtained in the condition 5 bar and 400 ℃.
On the other hand, the oxide barrier layer was developed to prevent the inter-diffusion between membrane metal and top side catalyst layer using anodizing method. After long term operation it was known that this method was effective to inhibit the inter-diffusion.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 기술개발사업 단계보고서 초록 ... 3
• SUMMARY ... 4
• CONTENTS ... 5
• 목 차 ... 7
• 그림 차례 ... 12
• 표 차례 ... 30
• 제 1 장 서론 ... 31
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 31
• 1. 기술개발의 중요성 ... 31
• 2. 기술개발의 필요성 ... 32
• 가. 기술적 측면에서의 기술개발 필요성 ... 32
• 나. 경제, 산업적 측면에서의 기술개발 필요성 ... 33
• 제 2 절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 34
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 39
• 1. 기술적 측면 ... 39
• 2. 산업·경제적 측면 ... 39
• 3. 정책적 측면 ... 39
• 4. 활용방안 ... 39
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 41
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 41
• 1. 주관기관(KIER) ... 41
• 가. 최종목표 ... 41
• 나. 평가방법 ... 41
• 2. 위탁기관(KIST) ... 42
• 가. 최종목표 ... 42
• 나. 평가방법 ... 42
• 3. 위탁기관(경기대) ... 42
• 가. 최종목표 ... 42
• 나. 평가방법 ... 43
• 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 43
• 1. 주관기관(KIER) ... 43
• 가. 1차년도 ... 43
• 1) 개발목표 ... 44
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 44
• 나. 2차년도 ... 44
• 1) 개발목표 ... 44
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 44
• 다. 3차년도 ... 44
• 1) 개발목표 ... 44
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 44
• 2. 위탁기관(KIST) ... 45
• 가. 1차년도 ... 45
• 1) 개발목표 ... 45
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 45
• 나. 2차년도 ... 45
• 1) 개발목표 ... 45
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 45
• 다. 3차년도 ... 45
• 1) 개발목표 ... 45
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 45
• 3. 위탁기관(경기대) ... 46
• 가. 1차년도 ... 46
• 1) 개발목표 ... 46
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 46
• 나. 2차년도 ... 46
• 1) 개발목표 ... 46
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 46
• 다. 3차년도 ... 46
• 1) 개발목표 ... 46
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 47
• 제 3 장 결과 및 향후 계획 ... 48
• 제 1 절 1단계 연구개발 결과 ... 48
• 1. 1단계 연구개발 추진 일정 ... 48
• 가. 주관기관(KIER) ... 48
• 나. 위탁기관(KIST) ... 49
• 다. 위탁기관(경기대) ... 51
• 2. 1단계 연구개발 추진 실적 ... 52
• 가. 주관기관(KIER) ... 52
• 1) 실험 장치 및 방법 ... 52
• 가) 고진공 소결로 제작 ... 52
• 나) Cermet 투과 장치 개발 ... 52
• 다) 모사가스 정용 가압형 투과 분리막 공정 개발 ... 55
• 라) 통합공정의 모사가스를 적용한 고압용 대용량 분리막 공정 개발 ... 65
• 2) 1성분계 금속/세라믹 cermet 분리막 개발 ... 67
• 가) Cermet 분리막 제조 ... 67
• 나) Cermet 분리막 이용 수소 투과 실험 ... 75
• 3) 2성분계 이상의 금속/세라믹 cermet 분리막 개발 ... 80
• 가) 2성분계 복합 분리막 설계 및 제조 ... 80
• 나) 모사가스 적용 가압형 투과 실험 결과 ... 83
• 4) 고투과 및 안정성이 확보된 2성분계 이상의 금속/세라믹 분리막 개발 ... 128
• 가) V99Y1 분리막의 투과 실험 결과 ... 128
• 나) V90Al9.75Y0.25 분리막의 투과 실험 결과 ... 134
• 다) V89.8Cr10Y0.2 분리막의 투과 실험 결과 ... 136
• 라) V99.8B0.2 분리막의 투과 실험 결과 ... 144
• 마) V89.8Al10B0.2 분리막의 투과 실험 결과 ... 155
• 바) V89.8Ni10B0.2 분리막의 투과 실험 결과 ... 158
• 나. 위탁기관(KIST) ... 159
• 1) 실험 장치 및 방법 ... 159
• 가) 수소 투과 합금 조성 설계 ... 159
• 나) 수소투과 합금 제조 및 박판제조 ... 159
• 다) 수소분리막 합금 시편 제조 및 분리막 표면에 Pd catalyst 증착 ... 160
• 라) GC에 의한 수소분리막 합금의 수소투과도 측정/평가 ... 161
• 마) 수소투과 합금 필러의 분말화 공정 탐색 ... 162
• 바) 수소화에 따른 수소분리막합금의 취화기구 규명 ... 162
• 2) 1차년도 연구개발 추진 실적 ... 162
• 가) 수소분리막 합금 설계 및 제조 ... 162
• 나) 수소화에 따른 수소분리막 합금의 취화기구 규명연구 ... 172
• 3) 2차년도 연구개발 추진 실적 ... 174
• 가) 수소분리막 합금 설계 ... 174
• 나) Catalyst (촉매) ... 194
• 다) Duplex alloys (이상 합금) ... 199
• 4) 3차년도 연구개발 추진 실적 ... 202
• 가) 주조합금 ... 203
• 나) 대용량 분리막 제조(Processing) ... 218
• 다. 위탁기관(경기대) ... 225
• 1) 1차년도 연구개발 추진 실적 ... 225
• 2) 2차년도 연구개발 추진 실적 ... 236
• 가) 양극산화를 이용한 금속-세라믹 복합막의 제조 및 특성 ... 236
• 나) 금속-금속간의 Inter-diffusion 방지를 위한 ceramic buffer-layer 형성 ... 247
• 3) 3차년도 연구개발 추진 실적 ... 250
• 가) 양극산화를 이용한 다공성 지지체의 제조 및 특성 ... 250
• 나) 양극산화를 이용한 금속-세라믹 복합막의 제조 및 특성 연구 ... 255
• 다) 제조된 Nickel oxide/Nickel/Nickel oxide 복합막의 투과 특성 ... 265
• 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형성과 ... 270
• 가. 정량적 목표 달성 성과 ... 270
• 1) 계획서 상의 정량적 목표 ... 270
• 2) 정량적 목표 달성 성과 ... 270
• 나. 연구개발 성과물 ... 271
• 1) 개발된 최적 분리막 조성 ... 271
• 2) 논문 및 특허 실적 ... 272
• 다. 유형적 연구개발 성과물 ... 272
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 273
• 1. 각 기관/기업별 추진 체계 ... 273
• 2. 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 ... 274
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 275
• 1. CCS 시장 현황 및 전망 ... 275
• 2. 연구개발 성과의 사업화 가능성 ... 277
• 3. 연구개발 성과의 Spin off 사업화 전망 ... 278
• 제 4 절 기업 재무건전성 현황 ... 279
• 제 5 절 주요 연구성과(별도 서식 활용) ... 282