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목차
I. 중대형 건물 연료전지용 연료개질기 시동 특성 개선을 위한 모듈화 설계 기술 개발(Development of modular design of fuel processor for improved start-up characteristics for medium and large scale building fuel cells) 4
요약문 6
SUMMARY 8
제1장 서론 18
제1절 기술의 개요 18
1. 기술의 개요 18
제2절 연구의 필요성 20
제3절 최종 연구목표 및 연차별 연구내용 22
1. 최종 연구목표 22
2. 연차별 주요 연구내용 22
제4절 기술개발 이슈 23
1. 기술개발 이슈 23
제2장 기술 개발 동향 25
제1절 국내 기술개발 동향 25
제2절 국외 기술개발 동향 27
제3장 주요 연구결과 29
제1절 5kW급 연료개질기 29
1. 5kW급 연료개질기 개발의 필요성 29
2. 5kW급 연료개질기 설계 및 제작 29
3. 5kW급 연료개질기 성능 평가 장치 34
4. 5kW급 연료개질기 성능 평가 결과 36
제2절 50kW급 연료개질기 41
1. 50kW급 연료개질기 개발의 필요성 41
2. 50kW급 연료개질기 설계 및 제작 43
3. 50kW급 연료개질기 성능 평가 장치 44
4. 50kW급 연료개질기 성능 평가 결과 46
제4장 결론 61
II. 백업전원(PEMFC)용 메탄올 개질기 열 및 시스템 통합설계 기술 개발(Development of the compact methanol reformer for PEMFC-based backup power supplies) 62
요약문 64
SUMMARY 66
제1장 서론 76
제1절 연구개발 목적 및 필요성 76
1. 기술의 개요 76
2. 연구개발 목적 78
3. 연구개발 필요성 80
제2절 연구개발 내용 및 범위 82
1. 고효율 컴팩트 메탄올 개질기 설계 82
2. 촉매 연소기 설계기술 83
3. 각 단위반응 촉매의 국산화 recipe 설계 83
제2장 국내외 기술개발 현황 84
제1절 국외 기술개발 현황 84
제2절 국내 기술개발 현황 91
제3절 선행 특허 조사 92
제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 94
제1절 0.5 kW급 메탄올 개질기 열 및 시스템 통합설계 기술개발 94
1. 메탄올 개질기 설계 기술 94
2. 촉매 연소기 설계 기술 102
3. 저가 장수명 개질 촉매 recipe 설계기술 105
제2절 1 kW급 메탄올 개질기 고효율화 및 안정화 설계기술 개발 109
1. 메탄올 개질기 고효율화 설계 기술 109
2. 메탄올 개질기 시동 단축 설계 및 운전기술 113
3. 저가 장수명 개질 촉매 recipe 설계기술 118
제3절 3 kW급 메탄올 개질기 스케일-업 설계 및 성능 최적화 기술 개발 122
1. 메탄올 개질기 스케일-업 설계기술 122
2. 대용량 메탄올 개질기 시동 단축 설계 및 운전기술 130
3. 저가 장수명 개질 촉매 recipe 설계기술 134
제4장 결론 136
제1절 연차별 연구개발 목표 및 결과 136
제2절 연구개발 결과의 활용 계획 138
참고문헌 139
부록 140
III. 모듈형 고체 수소저장 시스템 개발(Development for modular solid-state hydrogen storage system) 144
요약문 146
SUMMARY 148
제1장 서론 158
제1절 고체 수소저장기술 158
제2절 수소저장합금 158
1. 수소저장합금 원리 158
2. 수소저장합금의 종류 159
제3절 기술 개발의 필요성 160
제4절 기술 동향 161
1. 국내 연구개발 동향 161
2. 국외 연구개발 동향 161
제2장 수소저장성능 향상 연구 163
제1절 선행 연구 163
1. 고체 수소저장재의 탐색 및 선정 163
2. 필러 탐색 및 선정 165
제2절 수소저장 평가 장치 설계 및 제작 166
제3절 실험 장치 및 방법 166
1. 수소저장물질 활성화 166
2. 수소저장물질 특성 및 수소저장특성 평가 167
3. 수소저장소재 열전도도 측정 167
제4절 실험 결과 168
1. 수소저장재의 수소저장특성 168
2. 수소저장재 활성화 기술 개발 169
3. 수소저장재 성형 및 특성 174
제3장 수소저장시스템 설계 181
제1절 수소저장시스템 개념 설계 181
1. 외부 열교환 방식 수소저장 시스템 설계 181
2. PCM(phase change material) 적용 수소저장시스템 182
제2절 수소저장시스템 기본 설계 및 기술 수요 조사 183
1. 수소저장 모듈 평가 및 저장 시스템 설계 183
2. 기술 수요 조사 186
제4장 결론 188
참고문헌 189
I. 중대형 건물 연료전지용 연료개질기 시동 특성 개선을 위한 모듈화 설계 기술 개발(Development of modular design of fuel processor for improved start-up characteristics for medium and large scale building fuel cells) 16
〈표 1-1〉 국내외 연료개질기 시장규모 21
〈표 3-1〉 KIER 연료개질기 적용 촉매 종류 및 특성 33
〈표 3-2〉 5kW급 연료개질기 반응부 GHSV 36
〈표 3-3〉 도시가스와 수소의 저위발열량 39
〈표 3-4〉 5kW 연료개질기 개질가스 조성 40
〈표 3-5〉 50kW급 연료개질기 반응부 GHSV 46
〈표 3-6〉 50kW급 연료개질기 개질가스 조성 50
II. 백업전원(PEMFC)용 메탄올 개질기 열 및 시스템 통합설계 기술 개발(Development of the compact methanol reformer for PEMFC-based backup power supplies) 75
〈표 1-1〉 국내외 시장 규모 및 점유율 전망 81
〈표 2-1〉 EU의 백업/무정전/휴대용 메탄올-연료전지 시스템 개발 프로그램 1 84
〈표 2-2〉 EU의 백업/무정전/휴대용 메탄올-연료전지 시스템 개발 프로그램 2 85
〈표 2-3〉 EU의 백업/무정전/휴대용 메탄올-연료전지 시스템 개발 프로그램 3 86
〈표 2-4〉 ElectraGen-ME의 모델종류 및 세부제원 87
〈표 2-5〉 H3 2500 및 5000의 세부제원 89
〈표 2-6〉 MFC-50, 100 및 150의 세부제원 90
〈표 2-7〉 선행 특허 조사 범위 및 방법 92
〈표 2-8〉 선행 특허 조사에 의해 핵심 특허 목록 93
〈표 3-1〉 메탄올 개질기 열교환망 구성에 의한 주요 공정 조건 96
〈표 3-2〉 0.5 kW급 메탄올 개질기 운전 결과 98
〈표 4-1〉 연차별 개발 목표 및 결과 136
III. 모듈형 고체 수소저장 시스템 개발(Development for modular solid-state hydrogen storage system) 157
〈표 1〉 Density variation of compacted pellets 174
〈표 2〉 고체 수소저장재 열전달 특성 177
〈표 3〉 Working pressure according to materials and Sch 181
〈표 4〉 Dimensions and weight of external heat exchanger 181
〈표 5〉 수소연료전기 지게차 적용을 위한 64 kWh 수소저장시스템 성능 비교 185
I. 중대형 건물 연료전지용 연료개질기 시동 특성 개선을 위한 모듈화 설계 기술 개발(Development of modular design of fuel processor for improved start-up characteristics for medium and large scale building fuel cells) 14
[그림 1-1] 천연가스 연료개질기 단위공정 구성 18
[그림 1-2] 동심관형 연료개질기 제품 18
[그림 1-3] 건물용 연료전지 시스템 구성요소의 가격 분석 20
[그림 1-4] 신재생에너지 보급을 위한 법적 제도 21
[그림 1-5] 연료개질기 기술개발 이슈 24
[그림 2-1] 퓨얼셀파워 10kW급 연료개질기 25
[그림 2-2] 퓨얼셀파워 10kW급 연료개질기 시스템 26
[그림 2-3] 에스퓨얼셀 5kW급 연료전지 시스템 26
[그림 2-4] ClearEdge사의 5kW급 연료전지 시스템 27
[그림 2-5] Intelligent사의 10kW급 연료전지 시스템 28
[그림 2-6] PlugPower사의 5kW급 연료전지 시스템 28
[그림 3-1] 5kW급 연료개질기 도면 30
[그림 3-2] 5kW급 연료개질기 시제품 31
[그림 3-3] 5kW급 연료개질기 치수 31
[그림 3-4] 5kW급 연료개질기 내부 구조 32
[그림 3-5] 5kW급 연료개질기 외관 32
[그림 3-6] 연료개질기 평가장치 모식도 34
[그림 3-7] 5kW급 연료개질기 성능 평가 장치 35
[그림 3-8] 개질가스 분석용 가스분석기 35
[그림 3-9] 스타트업용 전기히터 37
[그림 3-10] 냉간시동 시 연료개질기 촉매층 온도변화 38
[그림 3-11] 열간시동 시 연료개질기 촉매층 온도변화 38
[그림 3-12] 개질가스 유량 측정용 건식 가스미터 39
[그림 3-13] 5kW급 연료개질기 원료 및 생성물 유량 40
[그림 3-14] 연료개질기 내부 구조 41
[그림 3-15] 연료개질기 설계 도면 42
[그림 3-16] 50kW급 연료개질기 구성요소 및 외관 43
[그림 3-17] 50kW급 연료개질기 평가장치 설계 도면 44
[그림 3-18] 50kW급 연료개질기 평가장치 외관 45
[그림 3-19] 50kW급 연료개질기 치수와 부피 47
[그림 3-20] 50kW급 연료개질기 설치공간 부피 47
[그림 3-21] 5, 50kW급 연료개질기의 원료 공급량과 개질가스 조성 비교 48
[그림 3-22] 연료개질기 열교환망 모식도 49
[그림 3-23] 연료개질기 열교환망 구축 50
[그림 3-24] 50kW급 연료개질기 원료 및 생성물 유량 50
[그림 3-25] 50kW급 연료개질기 스타트업 히터 설치 위치 51
[그림 3-26] 50kW급 연료개질기 시동 시 촉매층 온도변화 51
[그림 3-27] 50kW급 연료개질기 일산화탄소 농도 52
[그림 3-28] 50kW급 연료개질기 부하변동에 따른 촉매층 온도 53
[그림 3-29] 50kW급 연료개질기 부하변동에 따른 개질효율 53
[그림 3-30] 50kW급 연료개질기 100시간 장기운전 시 수증기개질반응부 개질가스 조성 54
[그림 3-31] 50kW급 연료개질기 100시간 장기운전 시 수성가스전이반응부 개질가스 조성 55
[그림 3-32] 50kW급 연료개질기 100시간 장기운전 시 선택적산화반응부 일산화탄소 농도 55
[그림 3-33] 50kW급 연료개질기 버너 제어로직 57
[그림 3-34] 50kW급 연료개질기 시동 제어로직 58
[그림 3-35] 50kW급 연료개질기 운전/정지 제어로직 59
[그림 3-36] 50kW급 연료개질기 히터 제어로직 60
II. 백업전원(PEMFC)용 메탄올 개질기 열 및 시스템 통합설계 기술 개발(Development of the compact methanol reformer for PEMFC-based backup power supplies) 72
[그림 1-1] 고분자연료전지(PEMFC)연계를 위한 메탄올 개질기 구성 개략도 77
[그림 1-2] 메탄올 연료개질기-연료전지 기반 백업전원의... 78
[그림 1-3] 메탄올 연료개질기를 이용한 고분자연료전지... 79
[그림 1-4] 고효율 컴팩트 메탄올 개질기 구성을 위한 개질기 설계 개략도 82
[그림 2-1] Ballard Power Systems의 ElectraGen-ME 87
[그림 2-2] Idatech의 메탄올 연료개질기 단면도 88
[그림 2-3] Ser Energy의 H3 2500 및 5000의 정면, 측면, 후면도 88
[그림 2-4] Ser Energy의 HT PEM과 연계된 메탄올 연료개질기 외형 89
[그림 2-5] Horizon fuel cell의 메탄올 개질기-PEMFC 연계 백업전원 90
[그림 3-1] 증발부를 포함하는 메탐올 개질기 기본 구조(상) 및 중발코일 구조 예(하) 94
[그림 3-2] 메탄올 수증기 개질부 성능 평가 장치 구성도(초기 운전용) 95
[그림 3-3] 메탄올 개질기 열교환망 구성 96
[그림 3-4] 메탄올 개질기 평가 시스템(좌) 실시간 온도 및 CO 농도 측정 화면(우) 97
[그림 3-5] 마이크로 GC로 분석한 정상상태 메탄올 개질기 개질가스 조성 99
[그림 3-6] 정상상태 메탄올 개질기 부분별 온도 및 가스분석기에 의한 CO 농도 측정값 100
[그림 3-7] 0.5 kW급 메탄올 개질기 냉간 시동 후... 101
[그림 3-8] 0.5 kW급 메탄올 개질기 hot ready... 101
[그림 3-9] 메탄올 혼합연료 연소용 연소촉매 외형 102
[그림 3-1O] dummy 개질기 형태의 메탄올 촉매연소기 구조도 103
[그림 3-11] 연소용 촉매 장착 사진 104
[그림 3-12] 메탄올 혼합연료 연소 실험 장치 사진 104
[그림 3-13] Glycine의 양에 따른 산화물 상태의 변화 (XRD analysis) 106
[그림 3-14] GHSV 2400/h, CO 1%, CO₂ 20 %, 수소 57 %, 수증기 15 %,... 107
[그림 3-15] 니켈-지르코늄 복합산화물 촉매의 활성, 선택도 및 내구성 108
[그림 3-16] Ballard사 메탄올 개질기 구조[3] 109
[그림 3-17] el-Element사의 메탄올 개질기 구조[4] 110
[그림 3-18] 스케일-업 설계안 도출을 위한 기존 0.5 kW급 개질기 용량별 운전에... 111
[그림 3-19] 가열구조 열유동 해석을 이용한 촉매층 온도 분포 예측 결과 111
[그림 3-20] 기존 증발관 구성(좌) 및 개선된 이중식 증발관 구성(우) 비교 112
[그림 3-21] 메탄올 개질기 시동 단축을 위한 증발과 개선, 기존 증발관 구조(좌),... 113
[그림 3-22] 1 kW급 매탄올 개질기 외형(좌) 및 개질기 성능평가 장치(우) 114
[그림 3-23] 반응기 부분별 온도 및 가스분석기로 측정한 출구 CO 농도 115
[그림 3-24] 1 kW급 메탄올 개질기의 정상 상태 생산 가스 GC 측정 결과 116
[그림 3-25] 냉간 기동시 시간에 따른 CO 농도 변화 117
[그림 3-25] hot ready 상태에서 기동시 시간에 따른 CO 농도 변화 117
[그림 3-27] 용액연소법으로 제조된 구리 촉매와 상용촉매의 성능비교... 119
[그림 3-28] 용액연소법으로 제조된 구리-알루미늄 산화물의 구리입자 분산성 확인 119
[그림 3-29] 공침법-소성으로 제조된 구리 촉매와 상용촉매의 성능비교... 120
[그림 3-30] 니켈-알루미늄 이중수산화물 전구체를 통해 제조한 촉매의 성능비교... 121
[그림 3-31] 원료 증발관 외형 122
[그림 3-32] 증발관이 장착된 연소부 122
[그림 3-33] 원료 증발관 길이 에 따른 1 kW급 수증기 개질기 성능 변화 123
[그림 3-34] 상단에 외부 예열관 설치한 개질기 외형 124
[그림 3-35] 하단에 외부 예열관 설치한 개질기 외형 124
[그림 3-36] 외부 예열관 설치 위치에 따른 1kW급 수증기 개질기 성능 변화 125
[그림 3-37] 1 kW급 개질기 외형 126
[그림 3-38] 3 kW급 개질기 외형 126
[그림 3-39] 단열된 3 kW급 개질기 및 성능평가 시스템 127
[그림 3-40] 정상 상태 생산 가스 GC 측정 결과 128
[그림 3-41] Aspen Plus를 이용한 3 kW급 메탄올 개질기의 최적 열교환망 구성도 129
[그림 3-42] 촉매연소부 운전조건 선정을 위한 메탄올 개질기 구조 및... 130
[그림 3-43] 연료 공급량에 따른 주요 온도 변화 131
[그림 3-44] 공기 유량에 따른 주요 온도 변화 131
[그림 3-45] 전기 히터를 장착한 메탄올 개질기 구조도 132
[그림 3-46] 알루미늄 블록 장착 외형 132
[그림 3-47] 150℃내외로 예열된 개질기의 기동 특성 (운전시간에 따른 CO 농도 변화) 133
[그림 3-48] 제조방법 (글라이신 양) 변화에 따른 구리 산화물의 결정성... 134
[그림 4-49] 예상 수요기업과 연계된 사업화 전략도 138
III. 모듈형 고체 수소저장 시스템 개발(Development for modular solid-state hydrogen storage system) 155
[그림 1] The process of metal hydride formation 159
[그림 2] Data base of DOE Hydride Information Center (Hydpark) 163
[그림 3] Pressure-concentration isotherms for TiV₁.₅Fe₀.₄Mn₀.₁-H 164
[그림 4] Desorption P-C-isotherms of as-cast Ti₁.₀Mn₁.₀V₀.₅... 164
[그림 5] SEM photograph for ENG(expended natural... 165
[그림 6] Scheme and photograph of test device for hydrogen storage 166
[그림 7] ASTM-D5470 규격의 열전도도 측정장치 167
[그림 8] PCT plot of Hydralloy C(left) and LCN2(right) metal hydride 168
[그림 9] Van't Hoff plot of Hydralloy C(left) and LCN2(right) metal hydride 169
[그림 10] The characteristic of hydrogen storage for activated Hydralloy C... 170
[그림 11] The result of partial activation for LCN2 171
[그림 12] Characteristic of initial hydrogen storage for... 171
[그림 13] The XRD patterns of activated LCN2 172
[그림 14] SEM ion-mapping of activated LCN2 173
[그림 15] The amounts of hydrogen storage for compacted... 173
[그림 16] The photographs of pellets; (a) Hydralloy C, (b) flake type graphite... 174
[그림 17] The amount of hydrogen storage for pellets of... 175
[그림 18] The variation of temperature in the hydrogen... 176
[그림 19] SEM photograph and carbon ion mapping for pellet of Hydralloy C with... 177
[그림 20] Characteristics of degradation for LCN2... 178
[그림 21] The photographs of hydrogen storage pellet; (left)... 179
[그림 22] 고분자 수지 바인더 A(좌)와 바인더 B(우)가 혼합도니 저장체의 반응 전후 사진 179
[그림 23] Variations of temperature in reactor; without PCM(left), with PCM(right) 182
[그림 24] The photographs of pellets and apparauts for modular hydrogen... 183
[그림 25] Variation of temperature in central part of modular hydrogen storage... 183
[그림 26] Calculation of hydrogen storage system for 64 kWh using LCN2 and... 184
[그림 27] Characteristic of hydrogen storage for LCN2 pellet... 186
[그림 28] 1.5~2.5 톤 하중용 수소전기지게차 및 200 bar 튜브 트레일러 187
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