보고서 정보
주관연구기관 |
전주대학교 Jeonju University |
연구책임자 |
김홍건
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2016-10 |
과제시작연도 |
2015 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
과제관리전문기관 |
한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 |
TRKO201700011757 |
과제고유번호 |
1711030748 |
사업명 |
중견연구자지원 |
DB 구축일자 |
2017-10-12
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키워드 |
전기분해.수소.고분자전해질.막전극접합체.연료전지.유로 설계.스택.티타늄.삼차원 메쉬.Electrolysis.Hydrogen.Polymer Electrolyte.Membrane Electrolyte Assembly.Fuel Cell.Flow Path Design.Stack.Titanium.Three Dimensional Mesh.
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DOI |
https://doi.org/10.23000/TRKO201700011757 |
초록
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연구의 목적 및 내용
▮ 티타늄은 기계적 물성이 타 금속과 달라 현재 일반적인 기계가공 방식의 유로형성 시에 매우 높은 비용이 소요 됨. 따라서 기존의 방식을 탈피하여 유로를 형성하지 않고도 유로의 효과를 가질 수 있는 새로운 방식의 티타늄 삼차원 메쉬를 제공하여 티타늄 유로판 제작에 소요되는 비용을 저감 시키고자 함.
▮ 또한, 25㎠ 이상의 활성화 면적을 가지는 MEA 제조와 Stack의 형상 최적화를 통해 효율을 극대화 시키고 압력, 전류, 온도에 따른 데이터베이스를 구축하고자 함.
▮ 수분제거 시스템을 제작하
연구의 목적 및 내용
▮ 티타늄은 기계적 물성이 타 금속과 달라 현재 일반적인 기계가공 방식의 유로형성 시에 매우 높은 비용이 소요 됨. 따라서 기존의 방식을 탈피하여 유로를 형성하지 않고도 유로의 효과를 가질 수 있는 새로운 방식의 티타늄 삼차원 메쉬를 제공하여 티타늄 유로판 제작에 소요되는 비용을 저감 시키고자 함.
▮ 또한, 25㎠ 이상의 활성화 면적을 가지는 MEA 제조와 Stack의 형상 최적화를 통해 효율을 극대화 시키고 압력, 전류, 온도에 따른 데이터베이스를 구축하고자 함.
▮ 수분제거 시스템을 제작하여 이에 대한 전류-전압 성능평가를 진행하고 최종적으로 시간당 50L 이상의 수소발생량을 발생시키는 통합컨트롤러 및 시제품 제작을 진행하여 수소순도 분석 및 안정성을 확보하고자 함.
연구결과
▮ 화학처리 및 촉매 제조법의 최적화를 통해 25㎠ 이상의 MEA를 개발하고 이를 이용한 Stack의 성능평가를 수행하며 이를 통해 수분제거장치에 대한 특허 진행을 연계할 수있었으며 100시간에 대한 내구도 평가에서 우수한 성능을 나타냄.
▮ MEA를 기반으로 하는 전기화학적 수소압축기를 이용하여 수분을 제거하는 장치를 제작하고 이에 대한 압력, 온도에 따른 성능과 전류-전압에 대한 성능평가를 통해 최적화 함.
▮ Membrane과 Stack에 대한 최적화를 위해 압력,전류,온도 등의 다양한 변수를 통해 해석적 검증을 진행하고 실험값과의 비교 도출을 통해 해석적 신뢰성 및 타당성을 확인하였음.
▮ 상용화된 Power Supply를 바탕으로 5채널 메인보드를 이용하여 서보밸브, 체크밸브 및 센서, 수소 및 산소통합컨트롤러를 제작하고 구성을 완료하였으며 이를 통해 제작된 시제품의 안정성을 확보함.
▮ 1차년도에 수중치환을 통해 수소발생량에 대한 예측을 하였으나 실제 제작된 시제품의 경우 결과가 판이하게 다르게 나타났음. 하지만 4 ~ 5bar에서 약 60L/hr, 75L/hr의 높은 수소발생량을 확인하였으며 온도, 유량에 따른 데이터베이스를 구축하였음.
▮ 수분제거장치가 미포함된 상태에서 시험을 의뢰하여 99.75%가량의 높은 수소순도 분석결과를 나타냈으며 순수 증류수포함시 약99.99% 이상이 확보될 것으로 예상되며 인체 유해지수 결과 우수한 것으로 나타났음.
연구결과의 활용계획
▮ 국내⋅외적으로 공통된 수소발생장치의 양상은 Alkaline 방식으로 발생 가스의 압력이 낮아 정적압력을 위해서 Compressor를 아직까지도 필수적으로 상요하고 있으며 저장을 위한 큰 부피의 용기가 필요하며 유해한 전해질 성분(KOH, NaOH 등)이 사용되며 전해질의 잦은 교체에 따른 비용적 부분이 큰 손실로 이어지고 있으며 본 연구를 통해 고분자 전해질을 이용하여 Compressor를 사용하지 않으며 특히 전해질을 사용하지 않는 친환경적인 부분을 만족시킬 수 있음.
▮ 이러한 연구결과를 토대로 특허에 대한 관련업체의 기술이전과 사업화를 추진할 수 있고 응용분야는 공공산업분야 이외에도 의료용, 가정용 등에 사용 가능하고 특히 바이오 관련 정수기의 수소첨가 등으로 확장될 수 있음.
(출처:한글요약문 p.4)
Abstract
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Purpose & contents
▮ As titanium has different mechanical properties from other metals, it is expensive to form a flow field using the general mechanical processing. Therefore, 3D titanium mesh in a new style, which can provide the effects of a flow field without forming one, needs to be develope
Purpose & contents
▮ As titanium has different mechanical properties from other metals, it is expensive to form a flow field using the general mechanical processing. Therefore, 3D titanium mesh in a new style, which can provide the effects of a flow field without forming one, needs to be developed to reduce costs.
▮ In addition, the efficiency can be maximized through fabricating the MEA which has the activation area of over 25㎠ and optimizing the shape. A database according to pressure, current, and temperature needs to be constructed.
▮ A moisture removal system was fabricated and its current-voltage performance was evaluated. Also, an integrated controller prototype capable of producing over 50Lof hydrogen per hour was fabricated to conduct an analysis on hydrogen purity and to secure stability.
Result
▮ The MEA with over 25㎠ was developed through the optimization of chemical processing and catalyst fabrication, and it was used to conduct the performance evaluation of the stack. As a result, the patent for the moisture removal system was applied and the durability test for 100 hours yielded excellent results.
▮ A moisture removal system was fabricated using an electrochemical hydrogen compressor based on the MEA and its performances according to the pressure, temperature, current, and voltage were evaluated for optimization.
▮ An analytical investigation was conducted using various variables such as pressure, current, and temperature for the optimization of the membrane and stack. The analytical reliability and validity was confirmed through comparison with experiment results.
▮ A servo valve, a check valve and its sensor, and an integrated hydrogen and oxygen controller were developed using a 5-channel main board based on the commercialized power supply to secure the stability of the fabricated prototype.
Hydrogen generation was predicted through water substitution in the first year, but the prototype showed different results. High hydrogen generation of about 60L/hour and 75L/hour, however, was confirmed at 4-5 bars. A database based on the temperature and flow rate was constructed.
▮ Tests without the moisture removal system showed high hydrogen purity results of 99.75%. The value can be increased to 99.99% if pure distilled water is included, resulting in excellent human health hazard index.
Expected Contribution
▮ The hydrogen generators worldwide are using the alkaline system, which requires a compressor for static pressure due to low gas pressure, a large storage container, harmful electrolytes (KOH, NaOH, etc.), and frequent electrolyte replacement leading to huge financial loss. The use of polyelectrolytes through this study does not require a compressor and especially can satisfy the eco-friendly needs by not using electrolytes.
▮ Based on these results, the technology transfer and commercialization of the patent can be discussed with related companies, and the technology can be used in themedical field, homes, and especially for hydrogen addition of bio-related water purifiers as well as public industries.
(출처:SUMMARY p.6)
목차 Contents
- 표지 ... 1목차 ... 2연구계획 요약문 ... 3연구결과 요약문 ... 4 한글요약문 ... 4 SUMMARY ... 5연구내용 및 결과 ... 6 1. 연구개발과제의 개요 ... 6 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 8 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 22 5. 연구결과의 활용계획 ... 25 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 25 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 26 8. 참고문헌 ... 26 9. 연구성과 ... 28 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 33 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 33 12. 기타사항 ... 33별첨1 ... 34별첨2 ... 47끝페이지 ... 55
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