초록 ▼

본 과제를 통해 생산한 연구결과를 요약하면 다음과 같음.

(1) 정치형 응용에 적합한 고용량 수소저장소재 발굴 및 탈수소화 촉매 개발
□ 금속수소화물
⋅ 금속수소화물 기반 > 5.5 wt% 또는 70 kg-H₂/m³ 이상의 수소저장밀도를 가지는 소재 스크리닝 및 소재의 수소 흡착⋅탈착 특성 규명
⋅ 고효율 고체수소저장 소재로서 신규 Mg-Fe 및 Mg-Ni 계 소재 발굴
⋅ Mg-Fe 소재 기반 Mg2FeH6 저온 합성 공정 및 롤밀링 공정 개발
⋅ Mg₂NiH₄를 포함하는 MgH₂ 복합수소화

본 과제를 통해 생산한 연구결과를 요약하면 다음과 같음.

(1) 정치형 응용에 적합한 고용량 수소저장소재 발굴 및 탈수소화 촉매 개발
□ 금속수소화물
⋅ 금속수소화물 기반 > 5.5 wt% 또는 70 kg-H₂/m³ 이상의 수소저장밀도를 가지는 소재 스크리닝 및 소재의 수소 흡착⋅탈착 특성 규명
⋅ 고효율 고체수소저장 소재로서 신규 Mg-Fe 및 Mg-Ni 계 소재 발굴
⋅ Mg-Fe 소재 기반 Mg2FeH6 저온 합성 공정 및 롤밀링 공정 개발
⋅ Mg₂NiH₄를 포함하는 MgH₂ 복합수소화물을 분말공정이 생략된 주조공정으로 제조하여 우수한 수소저장 특성을 확인

□ 화학수소화물
⋅ 화학수소화물 기반 > 4.4 wt% 이상의 수소저장용량을 가지는 소재 발굴 및 수소 흡착/탈착 반응용 고성능 촉매 개발 및 성능 평가 (3 L/min 수소방출이 가능한 촉매 확보)
⋅ 화학수소화물 기반 고효율 수소 방출용 단일금속/다중금속 촉매 개발 및 특성 최적화
⋅ 수소 방출용 금속 촉매의 크기, 조성, 구조적 배열의 미세조절 기술 실현 및 구조 특성에 따른 촉매성 향상
⋅ 소재대비 >19 wt% 이상의 수소저장밀도를 가지는 NH₃BH₃에 대한 고성능 금속촉매 확보 (수소방출속도: >15 L/min)
⋅ 고효율 액상 화학수소화물 후보인 개미산, 포메이트, 및 시클로알칸 열매체유 소재 기반 고성능 탈수소화 촉매 개발 및 가역성 확인
⋅ 상기 소재 기반 수소 흡착 및 탈착 메커니즘 규명을 통한 신소재 설계
⋅ 제일원리계산을 이용한 전이금속 나노입자, 그래핀, 나노입자-그래핀 구조 최적화
⋅ 포메이트에 의한 음이온 환경 모사를 위한 Pd₁₂NC-G 촉매 시스템 최적화 및 전자구조 분석(스핀 밀도 분석)
⋅ Pd₃₈NC-Ni(OH)₂(100)-G 표면을 활용한 HCOOH 탈수소화 반응경로 분석 및 내구성 분석

(2) 선정된 수소저장소재를 이용한 수소저장시스템 개발
⋅ 금속수소화물: Mg₂FeH₆ 기반 수소저장시스템 설계 및 고온에서 수소의 흡방출량 제어 및 측정이 가능한 300g(0.7 kWh) 급 소재 규모의 대용량 고체수소저장 반응기 개발
⋅ 화학수소화물: 개미산/포메이트 기반 수소저장시스템 설계 및 연속운전으로 방출되는 수소를 이용한 100 W 급 고분자막 연료전지 연계 시스템 개발

(출처 : 보고서 요약서 3p)

Abstract ▼

Solid-state and liquid chemical based hydrogen storage technologies are promising because of their high volumetric hydrogen densities and high level of safety thanks to the low pressure during operation and storage compared to the conventional way of compressed hydrogen storage and transportation. I

Solid-state and liquid chemical based hydrogen storage technologies are promising because of their high volumetric hydrogen densities and high level of safety thanks to the low pressure during operation and storage compared to the conventional way of compressed hydrogen storage and transportation. In addition, solid-state hydrogen storage can support the storage based on liquid hydrogen carriers because the solid-state storage has faster reaction kinetics than those of chemicals-based systems by taking the role of fast-responding unit.

In those respects, we initially studied some practical aspects of Mg-based hydrogen storage materials including the cost-effective process, hydrogenation/dehydrogenation behavior, cyclic stability, and large scale applicability. Low temperature formation of Mg₂FeH₆ as well as a new process method called vertical roll milling for mass production of the hydride phase was studied. Also, a simple casting method was applied to produce composites of Mg and Mg₂Ni with variation in concentration resulting in the composite hydrides of MgH₂ and Mg₂NiH₄ which have outstanding properties both in gravimetric capacity and reaction kinetics.

Expanding the material scale over the lab-scale experiments, we further developed a large scale reactor running at high temperatures with defined pressure allowing hydrogen gas to flow in and out of the tank in a quantitatively recordable and controllable way. We successfully carried out experiments with material of 50 g and came up with a computational method to analyze our large scale experimental data.

In addition to the solid-state hydrogen storage materials, potential chemical hydrides including formic acid, formate, and pi-conjugated cyclic compounds are also screened. Among these candidate chemicals, we found that formic acid, formates, and the mixture of formic acid/formate are the most viable because these chemicals are found to release hydrogen with rapid kinetics at low temperatures of below 120 ℃.

We then develop different types of heterogeneous catalysts that enable to dehydrogenate hydrogen from the formic acid and formate based chemicals by modifying catalytic supports as well as by active sites. In particular, formate based aqueous solutions prove to be reversible (hydrogenation - dehydrogenation) in the presence of Pd catalysts, strongly suggesting that the formate solution is a potentially feasible hydrogen carrier. Likewise, experimental studies present that formic acid and formic acid/formate mixtures could also be reversible hydrogen carriers for stationary energy applications. Lastly, the reaction pathways involving formic acid and formate with Pd based catalysts are further elucidated by experimental and computational studies.

(출처 : SUMMARY 10p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 10
• CONTENTS ... 12
• 목차 ... 13
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 14
• 제 1 절 연구개발의 필요성 ... 14
• 제 2 절 연구개발의 중요성 ... 15
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 22
• 제 1 절 국내 기술 수준 및 시장 현황 ... 22
• 제 2 절 국외 기술 수준 및 시장 현황 ... 27
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 37
• 제 1 절 고체수소저장물 연구내용 및 결과 ... 37
• 제 2 절 화학적 수소화물 연구내용 및 결과 ... 94
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 185
• 제 1 절 목표 달성도 ... 185
• 제 2 절 관련분야에의 기여도 ... 188
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 189
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 191
• 제 7 장 참고문헌 ... 195
• 끝페이지 ... 196