초록 ▼

□ 연구개요
알칼리 수전해 공정은 귀금속 기반의 전극촉매를 사용하지 않고도 안정적인 성능을 제공한다는 점에서 전극재료 비용 저감의 측면에서 다른 수전해 공정에 비해 장점이 있지만, 상대적으로 전류 밀도가 낮기 때문에 효율이 떨어지는 단점을 지니고 있다. 이에 알칼리 수전해 공정의 수소 생산 효율을 높이기 위한 촉매 개발 및 재생 에너지 활용 등 다양한 방향의 연구가 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 전극에 직접 초음파를 인가할 수 있는 초음파 전극 수전해 공정을 개발하고자 하였다. 초음파 인가시 발생하는 cavitation

□ 연구개요
알칼리 수전해 공정은 귀금속 기반의 전극촉매를 사용하지 않고도 안정적인 성능을 제공한다는 점에서 전극재료 비용 저감의 측면에서 다른 수전해 공정에 비해 장점이 있지만, 상대적으로 전류 밀도가 낮기 때문에 효율이 떨어지는 단점을 지니고 있다. 이에 알칼리 수전해 공정의 수소 생산 효율을 높이기 위한 촉매 개발 및 재생 에너지 활용 등 다양한 방향의 연구가 진행되고 있다. 이에 본 연구에서는 전극에 직접 초음파를 인가할 수 있는 초음파 전극 수전해 공정을 개발하고자 하였다. 초음파 인가시 발생하는 cavitation 및 acoustic streaming 에너지를 직접적으로 활용, 초음파로 인한 물리적, 화학적 효과를 동시에 발현할 수 있도록 공정을 개발, 평가를 진행하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
▶ 연구목표 : 초음파 전극을 활용한 수전해 공정 시스템 구축
본 연구에서는 초음파, DC 전압 인가가 동시에 가능한 초음파 인가 수전해 시스템을 구축하고, 작동 전극으로써의 Ti, Ni 초음파 전극을 설계, 제작하였다.
▶ 연구목표 :　초음파 공정적용 수전해 공정의 초음파 인가 특성 및 전기화학 특성 평가
구축한 초음파 전극 수전해 공정의 초음파 전극의 인가 특성을 진폭 및 인가 에너지를 정량화함으로써 평가하였다. 이 후 초음파 전극의 전압대비 전류밀도 및 선형주사전위법을 통한 과전압을 평가하여 전기화학적 특성을 평가하였으며, Ti 초음파 전극의 경우 미인가 대비30% 이상의 수소 발생효율 증가를 달성하였다. 또한 Ni 초음파 전극의 평가를 통해 최근 개발되고 있는 촉매 전극과 비교하여 우수한 특성을 지닌 초음파 전극을 개발할 수 있는 가능성을 있음을 판단하였다.
▶ 연구목표 :　초음파 전극 적용 수전해 공정의 수소 발생 메커니즘 규명
초음파 전극의 인가 조건 변화에 따른 acoustic cavitation spectrum을 평가하였으며, 이를 통해 초음파 인가시 전극 직하에서의 화학반응이 활성화됨을 확인하였으며, 이를 초음파 강도로 정량화하였다. 이후 결과를 토대로 KI 산화량 분석을 통해 초음파 전극의 화학반응량을 정량화하였으며, 일정 인가 시간 이후로 진폭이 증가할수록 화학반응량이 증가함을 확인하였다. 이를 통해 초음파 전극의 수소 생산은 초음파의 물리적, 화학적 효과가 결합하여 영향을 미칠 것이라고 예상하였으며, 이러한 메커니즘 규명을 위해 인가 시간 변화에 따른 과전압 평가를 진행하였으며, 인가 시간이 증가할수록 과전압이 감소함을 확인하였다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
개발한 초음파 전극 수전해 공정은 초음파 인가 유무에 따라 초음파 인가시 전기화학적 특성, 즉 수소 발생 효율이 확연히 증가하였으며, 초음파의 물리적/화학적 효과가 수소 발생에 모두 영향을 미치는 것을 확인하였다. 수전해 공정의 수소 생산 효율 향상을 위한 초음파의 적용과 초음파 물분해를 통한 수소 생산 원천기술 개발, 특히 초음파를 통한 수소 생산 메커니즘에 관한 연구는 전 세계적으로 아직 시작 단계에 있으며, 기존 제시된 연구들과 비교했을 때 학술적, 기술적으로 독창성을 지니고 있다고 판단되며, 특히 수소 생산 원천기술 개발은 세계 최고수준의 수소경제 선도국가로의 도약을 가능하게 할 것이다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 1. 초음파 전극을 활용한 수전해 공정 시스템 구축 ... 5
• 2. 초음파 전극 적용 수전해 공정의 인가 특성 및 전기화학 특성 평가 ... 6
• 3. 초음파 전극 적용 수전해 공정의 메커니즘 규명 ... 11
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 14
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 14
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• 3) 목표 달성 수준 ... 15
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 16
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 17
• 6. 자체점검표 ... 17
• 7. 참고문헌 ... 18
• 끝페이지 ... 19