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알칼리 기반 전기화학전환시스템 핵심 원천기술 개발

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
○ 국내 알칼리 수전해시스템에 사용되는 전극 및 바이폴라 플레이트의 소재는 주로 SUS계열을 사용하고 있어서 알칼리 용액 내에 부식문제로 장기안정성이 보장이 되지 못하고 있음.
○ 현재까지, 알칼리 수전해 시스템 용 분리막의 개발에 대해서는 보고된 연구 결과의 수 자체가 매우 적고, 관련 학계에서조차 분리막 성능 향상을 위해, 제시할 개발 목표에 대한 논의 자체도 거의 없음. 초기에 사용된 분리막은

알칼리 기반 전기화학전환시스템 핵심 원천기술 개발

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
○ 국내 알칼리 수전해시스템에 사용되는 전극 및 바이폴라 플레이트의 소재는 주로 SUS계열을 사용하고 있어서 알칼리 용액 내에 부식문제로 장기안정성이 보장이 되지 못하고 있음.
○ 현재까지, 알칼리 수전해 시스템 용 분리막의 개발에 대해서는 보고된 연구 결과의 수 자체가 매우 적고, 관련 학계에서조차 분리막 성능 향상을 위해, 제시할 개발 목표에 대한 논의 자체도 거의 없음. 초기에 사용된 분리막은 석면계열이고 현재 환경오염 규제 때문에 더 이상 사용이 불가능하게 됨
○ 지역전략산업인 “대경광역 경제권 선도산업지원단”의 “20N㎥/h급 알칼리 수전해 장치에 대한 연구가 유일함. 보고서에 보고된 효율이 ≃ 41%로 낮아 효율 향상에 대한 연구라기보다는 수소생산량에 중점을 둔 연구라고 판단됨.
○ 대다수 국내 생산되는 알칼리 수전해장치는 전극으로 SUS재료를 사용하여 내부식성이 약하고, 평판형태를 이용하여 낮은 면적의 단점이 있음. 분리막에 대한 평가도 제대로 되어 있지 않아 전체 시스템 효율이 낮게 나타남.
○ 미국은 2000년대 초에서 2000년대 중반까지 알카라인 수전해 기술개발을 GE와 Teledyne을 통해 진행하였으며 이후 PEM 수전해 기술 개발에 역점을 두어 Proton에너지를 통해 연구개발을 현재까지 진행 중에 있음. 또한 NREL 주관으로 풍력-수전해 연계 연구를 2003부터 현재까지 진행하고 있음. 최근 advanced 알카라인 수전해 연구를 DOE 수소연료전지 프로그램과 ARPA-E를 통해 지원하고 있음.
○ 유럽은 알카라인수전해, PEM수전해, SOEC 연구의 지원을 지속적으로 진행하고 있으며 특히 그리드 규모의 전력 밸러스용 대용량 알카라인 수전해 연구인 Elygrid, 재생에너지 연계를 위한 고효율 고운전 범위 알카라인 수전해 연구인 Reselyser에 지원하고 있음.
○ 연료전지 기술의 가장 시급한 시장 요구는 가격 저감이며 저가화만 만족할 수 있으면 다양한 비즈니스 모델을 적용할 수 있음
- 일본 토요타사는 2014년말 출시된 연료전지 차량 가격을 7만불 수준으로 경쟁기술인 테슬라 S모델에 겨냥하여 상대적으로 낮은 가격을 제시
- 연료전지 시스템의 가격 저감의 핵심은 스택 가격의 절반을 차지하고 있는 백금 촉매임
○ 백금을 전혀 사용하지 않는 AMFC 기술은 시장 친화적 측면에서 매우 매력적인 기술임
- PEMFC 스택 가격의 절반 이하 수준의 스택 가격 실현 가능함


양자계산 기반 고신뢰성 전극촉매 원천기술 개발 (Ⅰ)

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
∙ 본격 상용화시, 전극촉매는 전체 스택 비용의 약 46%를 차지하는 것으로 예측됨.
∙ 연료전지 상용화를 위해, 성능, 내구성, 가격 부분에서 해결할 점이 남아 있음.
∙ KIER은 내부적으로 전극촉매의 내구성 분야에서는 높은 기술 수준을 유지하고 있음.
∙ 활성금속과 직접 관련된 성능 및 가격 측면에서는 기술 확보가 반드시 필요한 상황임.
∙ 최근 Core-shell 형태의 전극촉매의 적용을 통해서 기존 백금 촉매 대비 약 (7 ∼ 10) 배에 달하는 산소환원성능 향상을 보고하고 있음.
∙ Core-shell 전극촉매 분야의 세계적 선도그룹인 BNL과의 협력을 통해 조기 기술확보의 가능성이 높으며, 세부분야에서 구체적인 협력연구가 필요함.


고효율 광하베스팅 나노소재와 태양광에 의한 컴팩트형 고도처리 시스템 개발 (Ⅱ)

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
o 연구배경 및 필요성
- 에너지 및 물부족(환경오염)은 전세계적 공통 issue
- 산업화에 물재용 공정 증가, 신규 오염물질 증가에 따른 고도처리 기술 도입 증가
· 고도처리용 인공자외선(UV) 활용 공정 증가
· 고에너지소비형 공정으로 온실가스 증가
- 고효율 광감응촉매 고정화 기술을 활용한 컴팩트 광화학 고도처리공정 개발이 필요
· 기존 파우더형 공정의 단점(반응 후 촉매 회수, 낮은 빛에너지 이용효율) 극복 가능
· 신재생에너지(태양광)을 이용한 에너지 절약형 태양광-고도처리공정 개발이 필요
☞ 인공자외선 이용시 높은 에너지 소모형 공정으로 물처리 비용 상승의 원인
☞ 에너지/환경 융복합 기술로 활용 가능성 높음

o 기술의 개요
- Solar-AOP(Advanced Oxidation process)
· 고급산화기술(AOP)은 다양한 에너지원, 촉매, 산화제 등의 조합에 의해 오염물질은 처리하는 기술 분야로 높은 처리 효율을 보임
☞ TiO2/UV(solar), UV+H2O2, Ozone, Sonolysis 등
· Solar-AOP 기술은 고에너지 소비형 인공광원 대신 태양에너지(태양광)을 이용, 광감응촉매에 의해 반응성이 강력한 라디칼(radical)을 생성, 오염물질(난분해성 유/무기물, 독성미생물 등)을 분해
- 광감응소재의 고정화 기술
· Solar-AOP 공정에 적용될 광감응소재는 금속지지체상에 고정화된 나노튜브구조 배열을 갖음
· 파우더형 광촉매의 단점을 극복, 공정의 컴팩트화를 위한 핵심기술

◦ 국내외 기술현황 및 트렌트 분석
- 국내외 국가들의 기술개발 현황 (그림 2)
· 파우더(powder)형 광촉매를 이용, 수소제조 및 환경정화에 활용되었으나 슬러리(slurry)반응의 단점, 스케일업 및 촉매회수의 문제점 등으로 소규모의 연구만이 진행
· 촉매의 활용 극대화 측면에서 고정화 및 가시광 감응형 촉매 개발이 주요 이슈임
- 광화학기술(Photocatalysis) 기술분야 (에너지/환경분야) 기술 수준 분석 (그림 3)
· 기초연구 단계 : 물분해 수소제조기술
· 응용연구 단계 : 수처리기술, solar-photocatalysis는 소규모의 prototype 단계
· 일부 시장진입 단계 : 공기정화 및 자체 표면 정화기능성 소재가 해당


대용량 수소저장을 위한 고효율 알제인 제조 기술 개발

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
∙ 알레인(AlH₃)은 수소중량저장밀도가 10.1 wt%, 수소부피저장밀도 0.14 kg/L로 2017년 DOE 수소저장 목표(onboard) 5.5 kg H₂/kg system과 0.07 kg H₂/L system을 달성할 수 있는 매력적인 수소저장물질임
∙ 그러나 α-AlH₃의 깁스자유에너지(ΔGf) 48.5 kJ/mol-AlH₃ 으로 실온에서의 평형압은 7000 bar이며 알루미늄에 수소를 흡장시켜 알레인을 제조하기 위해서는 100,000 bar의 초고압이 필요함
∙ 알레인은 다음의 전통적인 방법에 의하여 합성되어질 수 있으나 열역학적으로 안정한 리튬할라이드가 부산물로 발생하며 에너지 저장기술로는 부적합함. 3LiAlH₄ + AlCl₃ → 4AlH₃ + 3LiCl
∙ 전기화학반응을 구성하여 알레인 생성 깁스에너지를 전기에너지로 형태로 공급하면 낮은 압력에서 알레인의 제조가 가능함. 알레인은 offboard 뿐만 아니라 카트리지형태로 공급시 소형 포터블 전원장치로부터 onboard와 군용 전력 및 연료원으로도 활용 가능
∙ 미국 육군 RDECOM CERDEC CP&I 연구소는 AlH₃ 기반의 Wearable Power System을 제작 평가, 기존 베터리 대비 4배 이상의 중량 부하를 감소시킬 수 있음을 확인, 군인 휴대전원으로서의 가능성을 높이 평가
∙ DOE에서는 알루미늄수소화물 제조공정 개발 연구를 2006년에 시작하여 현재 까지 10년간 지원할 정도로 알레인을 유망한 수소저장물질로 판단하고 있으며 2014년에는 SRI International 이 새로운 연구팀으로 참여하여 저비용 알레인 개발 연구를 진행하고 있음
∙ 알레인의 에너지 저장밀도는 4.6 kWh/L, 3.3 kWh/kg으로 각각 리튬전지의 3.3배와 8.3배에 해당하며 방전시간 및 에너지 저장량 측면에서 양수발전에 비견되는 고용량 에너지저장시스템 구축이 가능하여 국가 에너지공급 안정화 및 신재생에너지 확산 등을 꾀할 수 있는 신산업 창출 기술임


중대형 건물 연료전지용 연료개질기 시동특성 개선을 위한 모듈화 설계 기술 개발 (Ⅰ)

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
● 연료개질기는 물과 탄화수소(천연가스, LPG, 등유 등)를 원료로 촉매반응을 통해 수소를 주성분으로 하는 개질가스를 생산하는 장치로서 흡착탈황부와 수증기개질/수성가스전이/선택적산화의 3단계의 촉매반응부로 구성된 미니 수소생산 플랜트임.

<천연가스 연료개질기 단위공정 구성>
● 물과 천연가스를 원료로 생산된 개질가스는 75% 이상의 수소, 20% 내외의 이산화탄소, 수%의 질소 및 메탄 그리고 미량의 일산화탄소로 구성되어 있음.

<배경 및 필요성>
● “2013 에너지기술 비전로드맵“에 따르면 건물용 연료전지의 용량은 10, 50, 100kW급으로 대용량화 될 것으로 예측하고 있음
● 건물용 연료전지 보급확대를 위해서는 연료전지의 핵심부품인 연료처리기의 고효율화, 고성능화, 저가화가 중요함
● 연료개질기는 연료전지 시스템 전체 가격의 30%를 차지할 정도로 가격 비중이 높음
● 개질효율 및 성능이 확보된 연료개질기의 저가화를 위한 기술개발이 필수적임
● 국내 연료개질기 기술은 선진국 대비 80% 수준에 머무르고 있으며 국산화 설계 기술 개발이 필요한 상황임

<기술개발 현황>
● 국외의 대표적인 개발 업체로는 ClearEdge, PlugPower, Intelligent Energy사 등이 있으며 5~10kW급 용량의 건물용 연료전지 시스템을 주로 판매하고 있음.
● 국내에서 5kW급 이상의 용량을 갖는 건물용 열병함 연료전지 시스템을 개발하는 업체는 현재 퓨얼셀파워, 에스퓨얼셀, 현대하이스코의 3개 기업이 있음.
● 5~20kW급 용량의 건물용 연료전지 시스템 보급을 추진하고 있으며 각 연료전지 시스템에는 각사에서 개발한 연료개질기가 장착되어 있음.


백업전원(PEMFC)용 메탄올 개질기 열 및 시스템 통합설계 기술 개발

Ⅱ. 과제의 목표 및 내용
1. 배경 및 필요성
● 정보통신 산업 발당에 의해 원격 통신 기지국 및 데이터 센터의 비상용 백업 전원 수요 증가
● Grid 전원이 불안정하고 영토가 넓은 국가의 예비 전원용 및 돌발 상황에 대한 보조 전원 요구
● 납축전지는 대기시간에 따라 비용 증가, 디젤발전기는 매연, 소음 등 환경 문제 발생
● 메탄올 개질에 의한 수소 공급식 연료전지 백업 전원이 이러한 문제 해결 가능하고 장기간 운용 시 납축전지를 이용한 기존 시스템에 비해 경제성이 우수
● 2015년 기준 미국, 유럽을 중심으로 130억불 규모의 시장, 2020년 신흥 시장인 중국, 인도는 170억불 규모 시장 예상
● 액체 메탄올 저장조를 포함한 연료개질기의 크기가 수소를 직접 공급하는 압축수소방식이나 수 전해방식에 비해 에너지 밀도면에서 경쟁력이 있으려면 고효율의 컴팩트 반응기 필요.
● 기존의 천연가스 연료개질기(600 ℃ 이상)에 비해 저온(200~300 ℃)에서 작동하고 탈황 과정이 필요 없으므로 메탄올 연료개질기는 더욱 컴팩트하면서도 액체 연료의 안정적인 증발, 빠른 기동시간 등의 특성을 보여야 함.
● 아래 구성도는 메탄올 연료개질기 구성의 한 예이며 컴팩트화, 고효율화와 함께 단순하면서도 효과적인 열교환 구조를 채택해야 양산 시 저가의 연료개질기 제작이 가능.

목차 Contents

• 표지 ... 7
• 제출문 ... 3
• 목차 ... 5
• 알칼리 기반 전기화학전환시스템 핵심 원천기술 개발 ... 7
• 표지 ... 7
• 목차 ... 9
• 2015년도 주요사업 연차평가보고서 ... 11
• Ⅰ. 일반현황 ... 11
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 12
• Ⅲ. 추진 전략 ... 14
• Ⅳ. 추진 실적 ... 17
• Ⅴ. 향후 계획 ... 38
• 양자계산 기반 고신뢰성 전극촉매 원천기술 개발 (Ⅰ) ... 39
• 표지 ... 39
• 목차 ... 41
• 2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 43
• Ⅰ. 일반현황 ... 43
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 44
• Ⅲ. 추진 전략 ... 46
• Ⅳ. 추진 실적 ... 49
• Ⅴ. 향후 계획 ... 57
• 고효율 광하베스팅 나노소재와 태양광에 의한 컴팩트형 고도처리 시스템 개발 (Ⅱ) ... 59
• 표지 ... 59
• 목차 ... 61
• 2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 63
• Ⅰ. 일반현황 ... 63
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 64
• Ⅲ. 추진 전략 ... 67
• Ⅳ. 추진 실적 ... 70
• Ⅴ. 향후 계획 ... 98
• 대용량 수소저장을 위한 고효율 알제인 제조 기술 개발 ... 99
• 표지 ... 99
• 목차 ... 101
• 2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 103
• Ⅰ. 일반현황 ... 103
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 104
• Ⅲ. 추진 전략 ... 106
• Ⅳ. 추진 실적 ... 110
• Ⅴ. 향후 계획 ... 130
• 중대형 건물 연료전지용 연료개질기 시동특성 개선을 위한 모듈화 설계 기술 개발 (Ⅰ) ... 131
• 표지 ... 131
• 목차 ... 133
• 2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 135
• Ⅰ. 일반현황 ... 135
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 136
• Ⅲ. 추진 전략 ... 138
• Ⅳ. 추진 실적 ... 139
• Ⅴ. 향후 계획 ... 145
• 백업전원(PEMFC)용 메탄올 개질기 열 및 시스템 통합설계 기술 개발 ... 147
• 표지 ... 147
• 목차 ... 149
• 2015년도 주요사업 연차평가 보고서 ... 151
• Ⅰ. 일반현황 ... 151
• Ⅱ. 과제의 목표 및 내용 ... 152
• Ⅲ. 추진 전략 ... 154
• Ⅳ. 추진 실적 ... 156
• Ⅴ. 향후 계획 ... 165
• 끝페이지 ... 166