초록 ▼

세부과제 Ⅰ 중대형 건물 연료전지용 연료개질기 시동 특성 개선을 위한 모듈화 설계 기술 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 연구에서 50kW급 건물용 연료전지를 위한 천연가스 연료개질기를 개발하였다. 5kW급 연료개질기를 기반으로 50kW급까지 적용 가능한 연료개질기 설계기술을 확보하였으며 다음과 같이 정량적 목표를 달성하였다.
- 시동시간: 98분
- 개질효율: 82.17%(LHV)
- 수소 생산량: 45Nm³/h
- 크기: 8.15L/kW
- CO농도 <

세부과제 Ⅰ 중대형 건물 연료전지용 연료개질기 시동 특성 개선을 위한 모듈화 설계 기술 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 연구에서 50kW급 건물용 연료전지를 위한 천연가스 연료개질기를 개발하였다. 5kW급 연료개질기를 기반으로 50kW급까지 적용 가능한 연료개질기 설계기술을 확보하였으며 다음과 같이 정량적 목표를 달성하였다.
- 시동시간: 98분
- 개질효율: 82.17%(LHV)
- 수소 생산량: 45Nm³/h
- 크기: 8.15L/kW
- CO농도 < 1ppm
부하변동 운전시 적정 범위의 촉매층 온도를 유지하였으며 100시간 장기운전 시 개질가스의 조성이 안정적으로 유지되었다.
본 연구의 결과는 5~50kW급 건물용 연료전지 시스템 개발에 활용될 수 있으며 수소충전소용 고순도 수소제조장치에 기반 기술로 활용이 가능할 것이다.

( 출처 : 요약문 9p )

세부과제 Ⅱ 백업전원(PEMFC)용 메탄올 개질기 열 및 시스템 통합설계 기술 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
수소생산량 기준 3 Nm³/h급 메탄올 개질기를 개발하였다. 개질효율은 80% 이상을 달성하였으나 CO 농도와 시동시간은 개선이 필요하다. CO 제거 반응부 온도 조절이 원활하지 않아서 최종 출구 CO 농도의 저감이 미흡하였다. CO 제거부의 온도 조절이 용이하지 않은 것은 통상의 메탄올 개질 반응에 비해 S/C비가 1.1. 정도로 매우 낮은 혼합 원료를 사용하므로 수증기 개질부의 평형 조성 상 출구 CO가 2~3%로 높기 때문이다. 직접적인 냉각 수단(촉매층 냉각용 코일) 및 다양한 열교환 방식을 적용하여 선택적 CO 메탄화 촉매층 온도의 정밀한 조절이 필요하다. 또한 수증기 개질부와 CO 제거부를 완전히 일체화 하지 않고 CO 제거부를 2단으로 구분하여 수증기 개질부와 연계된 CO 제거부에서 2000~3000 ppm까지 선택적 메탄화 반응으로 CO를 1차 제거하고 별도의 후단 반응기에서 선택적 CO 산화 반응 등을 통해 나머지 CO를 10 ppm 까지 제거하는 방법을 제안하고자 한다.

급속기동이 요구되지 않는 분야에서 메탄올 개질기 적용이 가능한지 기술 수요 조사를 추진하고자 한다. 또한 연료전지 연료 다변화 기술로서 활용 가능하도록 수요 기업을 탐색한다.
기술적으로는 메탄올 수증기 개질부와 분리막을 연계하여 고순도 수소제조가 가능한 시스템으로서 응용이 가능한지 타진하고 메탄올 수증기 개질 촉매 레시피는 향후 수성가스 전이 반응용 등으로 활용한다. 선택적 CO 메탄화 촉매 레시피는 향후 CO₂ 메탄화 반응용 촉매 개발에 적용하여 신재생에너지 저장기술과 접목이 가능한지 분석이 필요하다.

( 출처 : 요약문 68p )

세부과제 Ⅲ 모듈형 고체 수소저장 시스템 개발
Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
모듈형 고체 수소저장 시스템 핵심 요소 기술 개발에 있어서 고체 수조저장재의 활성화는 촉매 및 물리적 처리를 통해 활성화 하였다. 본 연구 결과에서 고체 수소저재를 고에너지밀법으로 물리적 처리하여 고체 수소저장재의 초기 활성화를 달성하였으며, 수소저장량도 향상되었다. TiCl₃를 촉매로 사용한 경우에는 초기 활성화가 이뤄지지 않았으며, 수소저장량도 감소하였다.

고에너지밀법으로 처리된 고체 수소저장재의 무게 및 부피 저장밀도를 향상시키기 위해 압축 성형하였고, 열전도도를 향상시키기 위하여 팽창흑연을 첨가하였다. 분말 형태의 고체 수소저장재보다 압축 성형한 고체 수소저장재의 열전도도가 증가되었다. 팽창흑연을 10 wt% 첨가한 경우에는 LCN2는 약 27.58 W/m·K. Hydralloy C는 21.3 W/m·K까지 향상되었다. 또한 무게저장밀도는 0.012 kg H₂/ Kg_pellet 이상, 부피저장밀도는 0.042 kg H₂/L _pellet 이상으로 나타났다.

수소저장 시스템 재질은 SUS 316L, 모듈 pipe는 2“ Sch.10을 적용하였을 때, 무게저장밀도는 0.007 kg H₂/kg_sys, 부피저장밀도는 0.0201 kg H₂/L_sys로 2년차 목표인 0.006 kg H₂/kg_sys와0.02 kg H₂/L_sys를 초과하였다.

( 출처 : 요약문 150p )

Abstract ▼

Development of modular design of fuel processor for improved start-up characteristics for medium and large scale building fuel cells
Ⅳ. Result and Recommendations
In this study, a natural gas fuel reformer for a 50kW class building fuel cell was developed. Based on the 5kW class fuel reformer,

Development of modular design of fuel processor for improved start-up characteristics for medium and large scale building fuel cells
Ⅳ. Result and Recommendations
In this study, a natural gas fuel reformer for a 50kW class building fuel cell was developed. Based on the 5kW class fuel reformer, we have secured the fuel reformer design technology applicable up to 50kW class and achieved the following quantitative targets.
- Start-up time: 98 minutes
- Reforming efficiency: 82.17%(LHV)
- Hydrogen production: 45 Nm³/h
- Size: 8.15L/kW
- CO concentration < 1 ppm
The temperature of the catalyst bed was maintained in the optimum range during the load-change operation and the composition of the reformed gas was maintained stably for 100 hours long operation.
The results of this study can be applied to the development of 5 ~ 50kW class building fuel cell system and it can be used as a base technology for high purity hydrogen production equipment for hydrogen filling station.

( 출처 : SUMMARY 11p )

Development of the compact methanol reformer for PEMFC-based backup power supplies
Ⅳ. Result and Recommendations
We finally developed a 3 Nm³/h-H₂-class methanol reformer. Although the reforming efficiency achieved 80% or more, improvement of the CO removal process and the startup time are absolutely necessary. The temperature control of the CO removal reaction(selective CO methanation) part was challenging so the reduction of the final exit CO concentration was insufficient. The fact that the temperature control of CO removal is not easy is to use a mixed raw material having a very low S/C ratio of about 1.1 as compared with a normal methanol reforming reaction so the outlet CO concentration is inevitably as high as 2 - 3%. It is necessary to precisely adjust the temperature of the selective CO methanation catalyst layer by applying appropriate cooling with various heat exchanging methods. In addition, we may suggest that the separation of the CO removal part from the reforming zone due to the difficulty of the temperature control. For example, small selective CO methanation zone is integrated with the methanol reforming zone to decrease the CO concentration around 2000 – 3000 ppm and then, the deep removal of the remaining CO to 10 ppm can be achieved by partial oxidation reactor.

Plus, we are trying to apply this technology to the systems which do not require urgent and rapid startup. And we also explore companies that try to diversify the applications of the fuel cells.

Technically, it is possible to apply hydrogen separation membranes to the methanol reformers so the high-purity hydrogen can be readily produced. The recipe of methanol steam reforming catalysts will be also applicable to the development of efficient water-gas-shift reaction catalysts. Also, it is necessary to analyze whether the selective CO methanation catalyst can stimulate development of catalyst for CO₂ methanation reaction that may have opportunities to be applicable to the storage technologies of the new and renewable energy sources.

( 출처 : SUMMARY 70p )

Development for modular solid-state hydrogen storage system
Ⅳ. Result and Recommendations
In the development of the modular solid-state hydrogen storage system technology, activation of the solid-state hydrogen storage material was tried to be activated by catalytic and physical treatment. In this study, solid-state hydrogen storage material was physically treated by PHEM(planetary high energy milling) method to achieve initial activation of solid-state hydrogen storage material, and hydrogen storage amount was also improved. When TiCl₃ was used as a catalyst, initial activation was not achieved, and the amount of hydrogen storage was also decreased. To improve weight and volumetric energy density, solid-state hydrogen materials treated by PHEM method were compacted.

In addition, expanded natural graphite was added to improve the thermal conductivity. As the results, thermal conductivity of compacted hydrogen storage materials was higher than the thermal conductivity of powder of hydrogen storage materials. When 10 wt% of expanded natural graphite was added, LCN2 was improved to ca. 27.58 W/m·K and Hydralloy C was improved to ca. 21.3 W/m·K. Also, the gravimetric energy density was 0.012 kg H₂/ Kg_pellet or more, and volumetric energy density was 0.042 kg H₂/L_pellet or more.

When the hydrogen storage system material is SUS316L and the module pipe is 2" Sch.10, the gravimetric energy density was 0.007 kgH₂/ Kg_sys or more, and volumetric energy density was 0.0201 kgH₂/L_sys

( 출처 : SUMMARY 152p )

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 목차 ... 5
• 세부과제 Ⅰ 중대형 건물 연료전지용 연료개질기 시동 특성 개선을 위한 모듈화 설계 기술 개발 ... 7
• 요 약 문 ... 9
• SUMMARY ... 11
• CONTENTS ... 13
• 목차 ... 15
• 그림목차 ... 17
• 표목차 ... 19
• 제 1 장 서 론 ... 21
• 제 1 절 기술의 개요 ... 21
• 제 2 절 연구의 필요성 ... 23
• 제 3 절 최종 연구목표 및 연차별 연구내용 ... 25
• 제 4 절 기술개발 이슈 ... 26
• 제 2 장 기술 개발 동향 ... 28
• 제 1 절 국내 기술개발 동향 ... 28
• 제 2 절 국외 기술개발 동향 ... 30
• 제 3 장 주요 연구결과 ... 32
• 제 1 절 5kW급 연료개질기 ... 32
• 제 2 절 50kW급 연료개질기 ... 44
• 제 4 장 결 론 ... 64
• 세부과제 Ⅱ 백업전원(PEMFC)용 메탄올 개질기 열 및 시스템 통합설계 기술 개발 ... 65
• 요 약 문 ... 67
• SUMMARY ... 69
• CONTENTS ... 72
• 목차 ... 73
• 그림목차 ... 75
• 표목차 ... 78
• 제 1 장 서 론 ... 79
• 제 1 절 연구개발 목적 및 필요성 ... 79
• 제 2 절 연구개발 내용 및 범위 ... 85
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 87
• 제 1 절 국외 기술개발 현황 ... 87
• 제 2 절 국내 기술개발 현황 ... 94
• 제 3 절 선행 특허 조사 ... 95
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 97
• 제 1 절 0.5kW급 메탄올 개질기 열 및 시스템 통합설계 기술개발 ... 97
• 제 2 절 1 kW급 메탄올 개질기 고효율화 및 안정화 설계기술 개발 ... 112
• 제 3 절 3 kW급 메탄올 개질기 스케일-업 설계 및 성능 최적화 기술 개발 ... 125
• 제 4 장 결 론 ... 139
• 제 1 절 연차별 연구개발 목표 및 결과 ... 139
• 제 2 절 연구개발 결과의 활용 계획 ... 141
• 참 고 문 헌 ... 142
• 부 록 ... 143
• 세부과제 Ⅲ 모듈형 고체 수소저장 시스템 개발 ... 147
• 요 약 문 ... 149
• SUMMARY ... 151
• CONTENTS ... 154
• 목차 ... 156
• 그림목차 ... 158
• 표목차 ... 160
• 제 1 장 서 론 ... 161
• 제 1 절 고체 수소저장기술 ... 161
• 제 2 절 수소저장합금 ... 161
• 제 3 절 기술 개발의 필요성 ... 163
• 제 4 절 기술 동향 ... 164
• 제 2 잘 수소저장성능 향상 연구 ... 166
• 제 1 절 선행 연구 ... 166
• 제 2 절 수소저장 평가 장치 설계 및 제작 ... 169
• 제 3 절 실험 장치 및 방법 ... 169
• 제 4 절 실험 결과 ... 171
• 제 3 장 수소저장시스템 설계 ... 184
• 제 1 절 수소저장시스템 개념 설계 ... 184
• 제 2 절 수소저장시스템 기본 설계 및 기술 수요 조사 ... 186
• 제 4 장 결 론 ... 191
• 참 고 문 헌 ... 192
• 끝페이지 ... 194