초록 ▼

본 연구개발은 고압 수전해 시스템을 개발하기 위하여, 막전극 접합체 성능개선, 고압의 수소압력을 가질 수 있는 스택의 구성요서 개발, 수치적해석 및 시스템 요소 기술 개발을 단계별로 진행하였다.
○ 전해효율 성능 개선
√동공전극 및 나노사이즈의 촉매 입자를 M.E.A 및 담체의 최적화여 전해효율을 90% 이상 증대 시킴.
√기존 환원-함침법의 단점을 보완하기 위하여, Hot press를 이용하여 M.E.A.의 제조방법의 최적화.
√Electro-spray를 Diffusion layer에 촉매를 코팅하는 CCD

본 연구개발은 고압 수전해 시스템을 개발하기 위하여, 막전극 접합체 성능개선, 고압의 수소압력을 가질 수 있는 스택의 구성요서 개발, 수치적해석 및 시스템 요소 기술 개발을 단계별로 진행하였다.
○ 전해효율 성능 개선
√동공전극 및 나노사이즈의 촉매 입자를 M.E.A 및 담체의 최적화여 전해효율을 90% 이상 증대 시킴.
√기존 환원-함침법의 단점을 보완하기 위하여, Hot press를 이용하여 M.E.A.의 제조방법의 최적화.
√Electro-spray를 Diffusion layer에 촉매를 코팅하는 CCD 및 CCM방식으로 제조하는 연구를 진행.
○고압수소발생 압력을 가지는 전기분해셀 구성요소 개발
√1차년도부터 4차년도까지 50 bar에서 150 bar까지 수소압력을 단계별로 증가시킴.
√고압형 전기분해셀의 구성요소 개발 : 급전체, 분리판 및 가스켓의 설계.
√급전체를 구성하는 Pressure pad를 이용한 접촉저항 개선.
○고압 수전해 시스템의 안전성 평가 및 분석
√운전조건 모사 및 모델링, 수치해석을 통해 고압 수전해 시스템의 안정성 개선.
√공인기관을 통한 시스템 평가, 시스템 효율 83% 달성.
√150 bar 고압 수소를 갖는 1 Nm³H₂/h 용량의 수전해시스템의 내구성평가 : 2,000 hr 이상,
√84%(@55℃, 1 A/cm2)의 성능 유지.
○탄화수소 계열의 전해막 내구성 증진
√CL-SPEEK/HPA 막에 Ceria를 첨가하여 수전해 고정엣 발생하는 Free Radical에 대한 Scavenger 역할을 수행함으로 막의 산화 내구성을 향상.
√전해질 막의 성능을 향상시키기 위해 첨가된 HPA의 침출을 방지하기 위해 Silica Nanoparticle을 사용하여 HPA의 침출을 방지하고 전해질 막의 성능 개선.

Abstract ▼

Ⅳ. Result and Recommendations
1. To Promote the Efficiency of the Stack
Study for manufacturing MEAs, the most important part of water electrolysis, was conducted following the first and second years of this research, continuously. In order to improve the performance of the catalyst, nano-size

Ⅳ. Result and Recommendations
1. To Promote the Efficiency of the Stack
Study for manufacturing MEAs, the most important part of water electrolysis, was conducted following the first and second years of this research, continuously. In order to improve the performance of the catalyst, nano-sized catalysts were prepared by applying catalyst carrier to increase the active surface area. Also, MEAs were manufactured by CCD(Catalyst coated diffusion layer) and CCM(Catalyst coated membrane) with nano-sized catalyst.
M.E.A composed with two catalytic layer by electro-spraying carbon-supported Pt catalyst for cathode and synthesized nanoparticles IrRuO2 for anode were hot pressed and it showed the best performance. To replace commercial Nafion membrane which have problems with expensive cost, complicated production and supplement, SPPEK membrane was applied to MEAs. As a results, improved performance obtained due to the excellent proton conductivity.
2. Development and Evaluation of Components of High Pressurised stack, 150 bar
The components on electrolyser unit cell which produce high pressure hydrogen were designed by focusing on the safety and the prevention of a leak in hydrogen with high pressure. Diffusion layer which is support of membrane with thickness of 170 um, was changed the structure to prevent damage from the pressure of 150 bar.
Several conventional flow path with square ribs were removed. Instead of square ribs, Ti-mesh were stacked and used for the diffusion layer. Also, it may occur a separation between the components by the pressure.
In this case, the resistance between the components was minimized by inserting a proprietary pressure pad in order to prevent the increase in contact resistance between components.
To prevent a leak in hydrogen with high pressure, the gasket is designed to pile up 2 layers. Also, the thickness of the current feeder and the end plate were manufactured more 1.5 times thick than specification of designed model.
As a result of stack evaluation, the final project goal were changed to 150 bar which exceed original goal as 100 bar. Therefore, research were conducted by modifying the objective was to 150 bar. The final result in this study is 84%(@55℃) of current efficiency.
3. Evaluation of Durability of High Pressurised Hydrogen Generator, 150 bar 1Nm3H2/hr stack is designed, manufactured and operated with stacking several unit cell. A evaluation system of high pressure hydrogen generator is placed on safety chamber for safety. Water supplied from outside flows into oxygen/water separation tanks and then supply to the anodic camber of the stack.
In the anodic camber of stack, water is separated to oxygen and hydrogen ion by electrolysis, the water(un-reacted) and oxygen are moving to the separation tank and separated at the tank.
In cathode side of th stack, water and hydrogen generated by electrolysis reaction moves into hydrogen/water separation tank.
Separated water return to anode side, hydrogen gas flows to hydrogen gas dehumidification and the pressure of hydrogen gas is controlled by the back-pressure valve. For the safety, the system is designed by explosion proof, and the pressure 250 bar pressure for the system piping is allowed.
4. Numerical A nalysis of Components of High Pressurised stack, 150 bar (Sub study by POSTECH)
Stack is designed for high-pressure components are available, each component can not be the evaluated because of high pressure condition. To solve this problem, deformations of each component on high-pressure condition, and high-durability and safety through numerical analysis was performed.
The numerical results are;
① the stack having less than 10 bar as hydrogen pressure is need 30 mm of the end plate thickness
② the stack having 150 bar as hydrogen pressure is need more than 70 mm of end plate thickness to prevent a deformations due to high pressure.
In addition, the high pressure stack requires a high stack clamping force to prevent leakage of hydrogen from electrolysis cell due to its high pressure. High clamping force of the components in the stack may cause deformation of the gasket and the gasket deformation may cause deformation of the components inside the stack. The optimized stack clamping force can be allowed to prevent deformation of each component and can be produced within designed tolerance.
As a result of numerical analysis, in order to manufacture high pressure hydrogen gas as 150 bar, it is needed as 7500kgf •cm of appropriate stack clamping force.
Stack test was conducted applying this conditions.
5. Stability A nalysis of the High Pressurised Hydrogen Generator System, 150 bar (Sub study by Seogang Univ.)
To build the control system of electrolysis system, we analyzed the system by modeling and understood the possible risk and drew alternatives in first year.
Second year, we built a system to consistent with results of first step. Also, we analyzed, estimated and improved the model parameters for optimum control. In addition, by estimating the model parameters on the stack, the results of the developed model and the actual system were compared and synchronize. As a result of this research, exact model parameters were determined.
6. Development of Membrane(Sub study by M yungi Univ.)
Hydrocarbon electrolyte membrane which is replace to Dupont' s Nafion117 membranes was investigated to develop its performance.
During the study period, CL-SPEEK membrane by adding the HPA(heteropoly acid) surpassed performance the Nafion 117 in the tensile strength and the proton conductivity. To solve the problem of bleeding out of HPA, we replaced H+ to Cs+ which can reduce leaching of HPA in second year. In 3rd year, the addition of CeO2(Cerium oxide, Ceria) as radical scavenger improved the oxidation durability of solid electrolyte membrane. Polymer matrix of covalent cross-linked bond using silane functional group and adding of new chemical additive improved physical and chemical stability of membrane.
7. Development of A lternative Catalyst for Pt(Sub study by M yungi Univ.)
The reduction of usage of the Pt catalyst and reduction of the oxygen overvoltage of the anode were investigated in this research. To reduce the oxygen overvoltage of anode, anode catalyst is manufactured by impregnation-reduction methode with combination of Pt and other transition metals(M = Pd, Ni, Co, Rh, Ru) As a result, the bi or tri-metallic catalysts had increased electrochemically active surface area and low cell voltage than Pt catalyst. Also, to reduce quantity of Pt, cathode was replaced to Pd from Pt and anode was replaced to Pt-M' (M' = Ni, Pd, Co) from Pt. It showed similar electrochemical performance compared to Pt electrode.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 초록 ... 3
• 요 약 문 ... 4
• SUMMARY(1/8) ... 12
• CONTENTS ... 21
• 목 차 ... 27
• 표 목 차 ... 32
• 그 림 목 차 ... 34
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 41
• 제 1 절 연구개발의 목적 및 필요성 ... 41
• 1. 사회 •경제적 중요성 ... 41
• 2. 과학･'기술적 중요성 ... 42
• 제 2 절 연구개발의 범위 ... 46
• 1. 1차년도(2009. 04 ～ 2010. 03) ... 46
• 가. 막전극접합체 성능 개선 ... 46
• 나. 50bar 수소발생 압력을 가질 수 있는 단위 전기분해셀 구성요소 개발 ... 46
• 다. 50bar 수소 발생 압력을 가질 수 있는 스택의 수치적 해석(위탁연구) ... 46
• 라. 고압 시스템요소 기술 개발 ... 46
• 마. 탄화수소 계열의 전해막 내구성 증진 연구(위탁연구) ... 46
• 2. 2차년도(2010. 04 ～ 2011. 03) ... 48
• 가. 막전극접합체 성능 개선 ... 48
• 나. 100bar 수소발생 압력을 가질 수 있는 단위 전기분해셀 구성요소 개발 ... 48
• 다. 100bar 수소 발생 압력을 가질 수 있는 스택의 수치적 해석(위탁연구) ... 48
• 라. 고압 시스템요소 기술 개발 ... 48
• 마. 고압 수전해 스택의 내구성 평가 ... 48
• 바. 탄화수소 계열의 전해막 내구성 증진 연구(위탁연구) ... 48
• 3. 3차년도(2011. 04 ～ 2012. 03) ... 49
• 가. 막전극접합체 성능 개선 ... 49
• 나. 100bar 수소발생 압력을 가질 수 있는 단위 전기분해셀 구성요소 개발 ... 49
• 다. 100bar 고압 수전해 시스템의 안정성 평가 및 분석 ... 49
• 라. 공인인증기관에서의 수전해 시스템 평가 ... 49
• 마. 탄화수소 계열의 전해막 내구성 증진 연구(위탁연구) ... 49
• 4. 4차년도(2012. 04 ～ 2013. 03) ... 50
• 가. 막전극접합체 성능 개선 ... 50
• 나. 150 bar 수소발생 압력을 가질 수 있는 단위 전기분해셀 구성요소 개발 ... 50
• 다. 고압 시스템요소 기술 개발 ... 50
• 라. 150 bar 고압 스택 및 시스템의 내구성 평가 ... 50
• 마. 탄화수소 계열의 전해막 내구성 증진 연구(위탁연구) ... 50
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 51
• 제 1 절 국내외 기술 개발 현황 ... 51
• 1. 국외 동향 ... 51
• 2. 국내 타 연구기관 연구 ... 52
• 제 2 절 연구결과가 국 •내외 기술 개발 현황에서의 위치 ... 54
• 1. 연구개발 내용 및 결과 ... 54
• 가. 막전극접합체 성능 개선 ... 54
• 나. 단위 전기분해셀 구성요소 개발 ... 54
• 다. 스택요소 개발 ... 54
• 라. 시스템요소 기술 개발 ... 54
• 마. 1.0 Nm3H2/hr 시스템 제작 및 내구성 테스트 ... 55
• 바. 150 bar 고압 수전해 시스템의 안정성 해석 ... 55
• 사. 막개발(위탁연구: 명지대) ... 55
• 아. Pt 대체 촉매 개발(위탁연구: 명지대) ... 55
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 56
• 제 1 절 수소발생용 전극촉매의 개발 ... 56
• 1. 연구배경 및 목적 ... 56
• 가. 연구배경 ... 56
• 나. 연구목적 ... 56
• 2. 연구방법 ... 56
• 가. 전극의 성능 향상을 위한 TEST ... 56
• 나. 수소발생용 MEA 적용을 위한 동공 전극의 제작 ... 65
• 3. 연구결과 ... 69
• 가. 전극의 성능향상을 위한 TEST ... 69
• 나. 수소발생용 MEA 적용을 위한 동공전극의 코팅 ... 76
• 4. 결론 ... 89
• 가. 전극 성능 향상 ... 89
• 나. 수소발생용 MEA 적용을 위한 동공전극의 코팅 ... 89
• 다. 결과 고찰 ... 89
• 제 2 절 막전극 접합체 제조 방식 연구 ... 91
• 1. 서론 ... 91
• 2. 수전해용 촉매 연구 ... 95
• 가. 수전해용 촉매 제조 조성 ... 95
• 나. 수전해용 나노 입자 촉매 제조 ... 97
• 3. M EA 제조 방법 연구 ... 107
• 가. CCD법 연구 ... 107
• 나. CCM법 연구 ... 121
• 4. M EA 제조 방식 연구 결과 ... 124
• 가. M EA 성능 평가 ... 124
• 나. CCD법 제조 M EA 성능 결과 ... 129
• 다. CCM법 제조 M EA 성능 결과 ... 148
• 5. M EA 장기 내구성 연구 ... 159
• 가. 장기 내구성 평가 장치 ... 159
• 나. 장기 내구성 평가 결과 ... 161
• 6. SPEEK막 적용 및 URFC적용 연구 ... 163
• 가. SPEEK막 적용 MEA 연구 ... 163
• 나. URFC적용 연구 ... 169
• 7. 결론 ... 172
• 제 3 절 고효율 수전해 스택의 구성 요소 개발 및 연구 ... 173
• 1. 연구방법 ... 173
• 가. 단위셀의 구성요소 ... 175
• 나. 스택 체결력 ... 178
• 다. 스택 Test ... 178
• 2 연구 결과 ... 178
• 가. 단위 셀 평가 ... 178
• 나. 스택 체결력 개선 ... 207
• 3. 결 론 ... 218
• 제 4 절 고압 수전해 스택의 구성 요소 개발 및 연구 ... 219
• 1. 고압 스택의 연구 방법 ... 219
• 가. 고압형 스택 구성요소 ... 219
• 2. 고압 스택의 연구결과 ... 222
• 가. 0.2Nm3/hr 수소압력 50 bar 고압 스택 개발 ... 222
• 나. 수소압력 100 bar 고압 스택 평가 ... 232
• 다. 150 bar 고압 스택 개발 ... 267
• 3. 결 론 ... 273
• 제 5 절 수전해 평가 실증 시스템 구축 및 평가 ... 274
• 1. 수전해 평가 System의 구성 ... 274
• 2. 운전조건 및 운전방법 ... 277
• 가. 운전 조건 ... 277
• 나. 운전 방법 ... 277
• 3. 실험결과 ... 279
• 가. 전해성능 평가 ... 279
• 나. 장기간 내구성 평가 ... 281
• 4. 공인(시험)기관 시험실적 현황 및 결과 ... 284
• 가. 수소 발생용 수전해 장치의 평가 기준 및 결과 ... 284
• 나. 이엠코리아 운전 현황 ... 288
• 제 6 절 시스템 안정성 및 경제성 분석 ... 297
• 1. Safety 분석 ... 297
• 가. 예측 불가능한 위험 요소 ... 297
• 나. 예측 가능한 안전 위험 ... 297
• 다. 수전해 시스템의 안전을 위한 Design A pproach ... 299
• 라. Hazard & Operability Study ... 299
• 마. 안전용 계기 ... 299
• 2. Code and Standard ... 301
• 3. Economic/　Business　Plan　Analysis ... 301
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 303
• 제 1 절 연구개발 목표의 달성도 ... 303
• 1. 1차년도(2009.04 ～ 2010.03) ... 304
• 2. 2차년도(2010.04 ～ 2011.03) ... 304
• 3. 3차년도(2011.04 ～ 2012.03) ... 304
• 4. 4차년도(2012.04 ～ 2013.03) ... 305
• 제 2 절 관련분야의 기술 발전에의 기여도 ... 307
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 308
• 제 1 절 추가 연구의 필요성 ... 308
• 제 2 절 타 연구에의 응용 ... 308
• 제 3 절 기업화 추진방안 ... 309
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 311
• 제 7 장 참고문헌 ... 312
• 끝페이지 ... 314