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핵심기술
고효율/고안정성 금속산화물을 적용한 열화학 물분해 사이클을 접시형 고온 태양열 시스템을 활용하여 수소를 생산하는 기술의 개발
최종목표
접시형 고온 태양열 시스템을 활용하여 고온을 얻고, 이 고온 에너지를 이용하여 열화학 물분해 사이클을 작동시켜 수소를 생산하는 기술을 개발하고자 함.
개발내용 및 결과
- 접시형 고온 태양열 시스템을 이용한 수소생산시스템 구성 개발 : 수소생산량 및 생산의 지속성을 위한 화학반응기의 구조 및 생산 시스템의 개발
- 열화학 반응에 적용 가능한 나노구조의 금속산

핵심기술
고효율/고안정성 금속산화물을 적용한 열화학 물분해 사이클을 접시형 고온 태양열 시스템을 활용하여 수소를 생산하는 기술의 개발
최종목표
접시형 고온 태양열 시스템을 활용하여 고온을 얻고, 이 고온 에너지를 이용하여 열화학 물분해 사이클을 작동시켜 수소를 생산하는 기술을 개발하고자 함.
개발내용 및 결과
- 접시형 고온 태양열 시스템을 이용한 수소생산시스템 구성 개발 : 수소생산량 및 생산의 지속성을 위한 화학반응기의 구조 및 생산 시스템의 개발
- 열화학 반응에 적용 가능한 나노구조의 금속산화물의 개발(기존의 금속산화물에 비한 비표면적 증가) : 관형 전기로를 사용하여 2단계 열화학 사이클을 통한 금속산화물의 특성 분석 및 수소 생산 실험 수행
- 고온 태양열 화학반응기의 성능향상을 위한 액체금속 히트파이프의 설계기술 개발 : 반응 공간 온도의 등온화를 목적으로, Inconel-Na 히트파이프를 설계 및 제작하여 고온 태양열 화학반응에 작용할 수 있는 작동온도환경, 유효열전도, 등온성을 목표로 실험 연구 수행
기술개발배경
태양열을 이용한 열화학적 수소에너지 생산 기술은 반응에 사용되는 열을 태양광으로 부터 얻을 수 있기 때문에 재생 가능한 청정공정이며, 단가가 저렴하면서도 높은 전환 효율을 가질 수 있고, 만약 금속산화물과 나노 융합기술이 도입된다면 향후 막대한 개발이익이 보장되는 선진형 원천기술이다. 나노 기술과 접목된 고효율의 열화학 사이클을 이용한 수소 생산 기술의 개발은 수소 생산뿐만 아니라 열화학 사이클기술의 핵심 소자로써 관련된 다양한 종류의 파생산업을 양산할 것으로 기대된다.
핵심개발기술의 의의
- 국내에서는 유일하게 사이클의 반복이 이루어졌으며, 열화학 사이클을 이용한 물 분해 수소 생산 분야에서 국제 수준인 일본 Niigata대학의 인공광원에서 실험한 결과에 비해 생산량 적인 측면에서 유사한 결과를 얻었다.
적용분야
- 친환경 에너지원을 이용한 수소 연료 생산 공정

목차 Contents

• 신·재생에너지 기술개발사업 최종보고서 제출서 ... 1
• 최종보고서 ... 2
• 제 출 문 ... 3
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 4
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 8
• 목 차 ... 15
• 본문 작성 요령 ... 20
• 제 1 장 서론 ... 21
• 제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 21
• 1. 기술적 측면 ... 21
• 2. 산업·경제적 측면 ... 22
• 3. 정책적 측면 ... 23
• 제 2 절 국내·외 관련기술의 현황 ... 23
• 1. 국외 기술 현황 ... 23
• 2. 국내 기술 현황 ... 26
• 3. 현 기술 상태의 취약성 ... 27
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급효과 ... 28
• 1. 기술적 파급효과 ... 28
• 2. 경제적 파급효과 ... 28
• 제 2 장 기술개발 내용 및 방법 ... 29
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 29
• 1. 최종목표 및 평가방법 ... 29
• 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 34
• 1. 1차년도 ... 34
• 가. 인하대학교 ... 34
• 1) 개발목표 : 금속 산화물 설계 및 1기(first-stage) 반응기 설계, 제작, 성능시험 ... 34
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 34
• 나. 성균관대학교 ... 34
• 1) 개발목표 : 고온 반응기를 이용한 물분해용 금속 산화물 개발 ... 34
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 34
• 2. 2차년도 ... 36
• 가. 인하대학교 ... 36
• 1) 개발목표 ... 36
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 36
• 나. 성균관대학교 ... 36
• 1) 개발목표 ... 36
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 36
• 다. 한국항공대학교 ... 37
• 1) 개발목표 ... 37
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 37
• 3. 3차년도 ... 38
• 가. 인하대학교 ... 38
• 1) 개발목표 ... 38
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 38
• 나. 성균관대학교 ... 38
• 1) 개발목표 ... 38
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 38
• 다. 한국항공대학교 ... 38
• 1) 개발목표 ... 38
• 2) 개발내용 및 개발범위 ... 39
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 40
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 40
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 40
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 41
• 가. 인하대학교 ... 41
• 1) 이론적 배경 ... 41
• 2) 연구 내용 ... 43
• 3) 실험장치 설계 및 제작 ... 45
• 가) 접시형 태양열 집광 시스템 (Dish type solar concentrator system) ... 45
• 나) 수증기 공급 장치(Steam Generator) ... 50
• 다)chiller ... 53
• 라)가스 크로마토그래피(Gas Chromatography) ... 54
• 4) 반응물 ... 56
• 5) 반응기 모델링 ... 60
• 가) 1기(first-stage) 반응기 ... 60
• 나) 2기(second-stage) 반응기 ... 63
• 다) 3기(third-stage) 반응기 ... 65
• 라) 4기(fourth-stage) 반응기 ... 67
• 6) 실험방법 ... 69
• 가) 전체 시스템의 구성 : ... 69
• 나) 사이클 구성 및 실험 방법 ... 71
• 7) 실험결과 ... 72
• 가) 1기(first-stage) 반응기 실험 ... 72
• 나) 2기(second-stage) 반응기 실험 ... 78
• 다) 3기(third-stage) 반응기 실험 ... 88
• 8) 결론 ... 100
• 나. 성균관대학교 ... 102
• 1) 이론적 고찰 ... 102
• 가) Solar thermochemical process ... 102
• 나) 2단계 열화학 싸이클 (Two-step thermochemical cycle) ... 105
• 다) 산화-환원 반응의 열역학 분석 ... 107
• 라) 금속산화물의 결정구조 ... 111
• 마) 지지체가 첨가된 금속산화물 ... 114
• 2) 실험 장치 및 방법 ... 132
• 가) 금속 산화물 제조 ... 132
• 나) 실험장치 및 조건 ... 140
• 다) 금속산화물의 특성 및 구조 분석 ... 144
• 3) 실험결과 및 고찰 ... 144
• 가) 제조된 금속산화물의 특성 분석 ... 144
• 나) ZrO2 nanotube의 특성 분석 ... 146
• 4) 반복 사이클에 따른 금속산화물의 2 단계 열적 환원 및 물 분해 반응 특성 ... 157
• 5) 반복 사이클에 따른 금속산화물의 장기안정성 및 물 분해 반응 특성연구 ... 161
• 6) Solar simulator 를 이용한 금속산화물의 온도 변화 ... 167
• 7) 금속산화물의 2 단계 물 분해 반응 특성(solar simulator) ... 167
• 8) ZrO2 에 담지된 금속산화물의 2 단계 물 분해 반응 특성(Solar simulator) ... 169
• 9) ZrO2 nanotube powder 에 담지된 금속산화물의 2 단계 물 분해 반응 특성(Solar simulator) ... 170
• 10) 요약 ... 173
• 다. 한국항공대학교 ... 174
• 1) 연구 내용 ... 174
• 가) 2차년도 개발 내용 ... 174
• 나) 3차년도 연구내용 ... 176
• 2) 히트파이프 기본 성능시험 ... 178
• 가) 성능실험 셋업 ... 178
• 나) 기본 성능실험 결과 ... 181
• 3) 인코넬-나트륨(Inconel-Na) 히트파이프의 설계 및 성능 실험 ... 183
• 가) Inconel-Na 히트파이프 설계 ... 183
• 나) Inconel-Na 히트파이프의 제작 ... 183
• 다) 히트파이프 작동 확인 및 블로우 아웃(Blow-out) ... 185
• 라) 실험장치 설계 및 제작 ... 187
• 4) 실험 방법 ... 188
• 가) 1차 제작 Inconel-Na 히트파이프 실험 ... 188
• 나) 2차 제작 Inconel-Na 히트파이프 실험 ... 189
• 5) 실험 결과 ... 190
• 가) 입력 열부하, 유효열전도율 및 열저항 계산 ... 190
• 나) 1차 제작 Inconel-Na 히트파이프 열적 성능 ... 192
• 다) 2차 제작 Inconel-Na 히트파이프 열적 성능 ... 196
• 라) 2차 제작 히트파이프의 연속 작동 성능 변화 측정 ... 201
• 6) 결론 ... 202
• 3. 목표 대비 달성 결과 ... 204
• 4. 연구개발 성과물 ... 206
• 가. 특허 ... 206
• 나. 학술회의 발표 실적 ... 207
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 211
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 212
• 1. 연구개발 사업성과의 사업화 가능성 ... 212
• 2. 시장규모 ... 212
• 3. 기술 현황 ... 213
• 제 4 장 참고문헌 ... 215
• 최종보고서 요약서 ... 220