| 초록 |
1세부과제 : 알칼리 기반 전기화학전환시스템 핵심 원천기술 개발 (II) 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 2세부과제 : 양자계산 기반 고신뢰성 전극촉매 원천기술 개발 (III) Ⅳ.연구개발 결과 및 활용에 대한 건의 ∙ 주요 결과 - 미국 DOE 수소연료전지 프로그램에서 제시한 전극촉매 성능 및 내구성 부분 목표를 초과달성함 - 본 과제에서 제시한 전극촉매 성능 ≥ 0.50 A/mg Pt 은 미국 DOE 의 연구목푯값(≥ 0.44 A/mg Pt)을 초과하는 도전적인 과제였으며, 본 과제의 코어쉘 형태 전극촉매 도입을 통해서 초과달성 함 - 귀금속, 비귀금속, 합금 등 다양한 코어물질을 활용한 전극촉매를 제조하였으며, 전압사이클 환경에서의 내구성 목표 역시 초과달성 함 - 본 과제를 통해서 KIER의 취약 분야였던 전극촉매의 활성금속 분야 기술을 성공적으로 확보함 - BNL 로부터 확보한 코어쉘 전극촉매에 대한 기초 기술 뿐만 아니라 양산을 고려한 반응기 설계 및 제조 등을 위한 본격적인 대량 제조에 대한 기술기반을 확보하는 성과를 도출함 ∙ 연구결과 활용 ∙ Scale-up 코어쉘 전극촉매 제조 기술에 대한 연결과제 도출 - BNL 과 국제공동과제를 통해 이해 및 확보한 코어쉘 전극촉매 제조 기술에 대한 응용 - BNL 의 기존기술 회피 혹은 새로운 개념의 코어쉘 전극촉매 제조법 확보 - 양산 공정을 고려한 다양한 코어쉘 전극촉매 제조를 위한 기술 확보 3세부과제 : 고효율 광하베스팅 나노소재와 태양광에 의한 컴팩트형 고도처리 시스템 개발 Ⅳ.연구개발 결과 및 활용에 대한 건의 본 연구를 통하여 금속지지체 종류, 양극산화 제조조건별로 메쉬형태의 NTT의 제조, 기존에 고가재료가 아닌 저가 재료를 통한 활성 확보, 표면특성 분석 및 대상물질에 대한 광활성을 평가하여 최적의 NTT를 선별하고 대면적화 하는 연구목표를 달성하였다. 또한 이결과를 바탕으로 NTT 촉매의 대면적화 조건을 최적화하여 평판형(flat type) 및 회전형(rotating type) 광반응기의 제작하였으며 실제 야외에서 다양한 태양광 조건하에서 복합오염물질군을 동시 처리하였다. 연구결과 평판형 및 회전형 광반응기에 적용시 메쉬형 NTT에 의한 반응효율이 포일형 NTT보다 상대적으로 우수하였다. 또한 회전형 광반응장치의 경우 반응기에 유입되는 유체의 모멘텀에 의해 메쉬형 NTT가 자체 회전함에 따라 빛에너지의 이용 유효면적 및 혼합의 극대화로 반응효율이 크게 향상되는 결과를 얻을 수 있었다. 본 연구를 바탕으로 최종 스케업된 메쉬형 NTT에 의한 outdoor 테스트로서 태양광을 이용한 반응연구가 수행하였으며 이를 통하여 각 반응기별 복합오염물질 4종(BPA, E2, EE2 및 Cr(VI)) 이상의 처리효율 및 처리용량을 모두 달성하였으며, 대상물질외의 micropollutant, 미생물의 소독연구를 위한 광화학 반응연구 등을 수행하였다 향후 활용방안으로는 NTT/solar(UV) 공정을 통한 최적화 연구 후 타 공정과의 연계를 통한 컴팩트화 된 하이브리드(hydrid) 공정(예. NTT/Solar/Membrane)의 개발 또는 전기화학기반의 고도산화기술이 접목되어 일사조건의 제약을 받지 않는 하이브리드 공정의 아이디어를 획득하여 향후 개발이 가능할 것으로 예상되며 자외선이 조사되는 다양한 수처리공정(정수 및 하수 재이용, 빗물 재처리 등)에 요소기술로 적용하여 에너지 저감형 기술로 활용이 가능할 것으로 예상된다. 4세부과제 : 중대형 건물 연료전지용 연료개질기 시동특성 개선을 위한 모듈화 설계 기술 개발 (Ⅱ) 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. ● 물과 천연가스를 원료로 생산된 개질가스는 75% 이상의 수소, 20% 내외의 이산화탄소,수%의 질소 및 메탄 그리고 미량의 일산화탄소로 구성되어 있음. ●“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 필요함 ● 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 90% 수준에 머무르고 있으며 국산화 설계 기술 개발이 필요한 상황임 ● 연료개질기가 포함된 건물용 연료전지 시스템은 신재생에너지 보급을 위한 정부의 규제정책에 따라 시장이 확대되고 있음. ● 하지만 제품의 가격경쟁력과 원료로 사용되는 도시가스의 가격 문제로 인해 시장 진입에 어려움을 겪고 있음. ● 국외의 대표적인 개발 업체로는 도쿄가스, 오사카가스 등 1kW급 연료전지 시스템 개발 업체가 있으며 100kW급 PAFC 시스템을 보유하고 있는 후지전기도 독자적인 연료개질기 기술을 보유하고 있음. 독일의 WS Reformer사는 1~10kW급의 다양한 용량의 연료개질기를 판매하고 있으며 도시가스, LPG, 디젤 등 다양한 원료를 사용하고 있음. ● 국내에서 5kW급 이상의 용량을 갖는 건물용 열병함 연료전지 시스템을 개발하는 업체는 현재 두산퓨얼셀, 에스퓨얼셀, 현대제철의 3개 기업이 있음. ● 국내 연료개질기 기술은 1, 3, 5, 10kW를 대상으로 제품이 개발되어 있으며 대용량으로는 두산퓨얼셀의 400kW급 연료개질기 기술이 개발되어 있음. 5세부과제 : 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 |
