[표지]
목차
제출문 2
세부과제 Ⅰ. 직화식 초임계 CO₂ 발전용 초임계압 순산소 연소 핵심원천기술 개발(Ⅱ) 3
요약문 5
목차 7
1. 연구 배경 및 과제 개요 8
2. 연구목표 및 달성도 11
3. 연구 결과 14
3-1. 연소기 설계 15
3-2. 초임계 순신소 연소 시험설비 17
3-3. 고압 연소기 시험 19
3-4. 기초 연구 22
3-5. Cycle 해석 25
3-6. IP R&D 27
세부과제 Ⅱ. 계면확산 방지형 중온열전모듈 기반 자동차 폐열회수 시스템 개발(Ⅱ) 29
요약문 31
SUMMARY 32
Contents 33
목차 34
제1장 서론 43
제1절 연구개요 43
제2절 연구배경 및 필요성 46
제3절 열전소재 종류 및 개발 현황 49
1. Bismuth Telluride(Bi₂Te₃) 49
2. Skutterudite(SKD) 50
3. Half-Heusler(HH) 51
제4절 열전소자 및 연구 현황 52
제5절 자동차용 열전발전 분야 53
1. 미국 53
2. 일본 54
3. 대한민국 55
제2장 과제 추진 내용 56
제1절 과제의 목표 및 내용 56
1. 최종 성과물의 개요 56
2. 최종목표 57
3. 연구내용 및 목표 58
제2절 주요 기술개발 이슈 59
1. 핵심기술 59
제3절 과제 추진 체계 62
1. 열전발전시스템 추진 방법 및 절차 62
제3장 과제 수행 내용 및 결과 64
제1절 주요과제 추진 내용 64
1. 중온열전소재 분석 64
2. 열전소재 잉곳화 공정 개발 66
3. SKD 열전소재 금속화층 개발 69
2. 고신뢰성 SKD 열전모듈 개발 84
3. 열전발전 시스템 개발 92
제2절 주요과제 정량적 성과 161
제4장 결론 162
참고문헌 164
세부과제 Ⅲ. 초미세먼지/NOx/SOx 동시 저감을 위한 초청정 플랫폼 기술 개발 및 실증 165
요약문 167
SUMMARY 174
목차 181
제1장 연구배경 및 필요성 184
제2장 연구성과 목표(최종/연차별) 및 목표 달성도 191
제3장 2차년도 주요 연구 내용 194
제4장 위험 장애요인 및 타개전략 227
제5장 향후 추진계획 및 발전전략 229
제6장 연구 성과의 활용계획 231
제7장 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의 234
제1절 연구개발 결과 및 활용 건의 234
1. 연구개발 결과 요약 234
2. 활용에 대한 건의 238
〈표 2-1〉 본 연구의 최종목표 57
〈표 2-2〉 연구목표 및 상세내용 58
〈표 2-3〉 중온열전발전 모듈 및 시스템 핵심기술 59
〈표 3-1〉 열전기술을 활용한 연구 분야 분류 66
〈표 3-2〉 소결의 주요 인자 69
〈표 3-3〉 금속화층 별 IMC 층 성장길이 비교 80
〈표 3-4〉 Co₀.₆ Mo₀.₄ / (Mm,Sm)yCo₄Sb₁₂ 적용 열전소자의 출력 결과[이미지참조] 89
〈표 3-5〉 Ti / (Mm,Sm)yCo₄Sb₁₂ 적용 열전소자의 출력 결과[이미지참조] 90
〈표 3-6〉 실험장치의 주요제원 93
〈표 3-7〉 열교환기 주요 재질 비교 102
〈표 3-8〉 자동차용 SLI 배터리 적용 실험결과 129
〈표 3-9〉 3S 리튬이온 배터리(정격전압 : 10.8V) 실험결과 129
〈표 3-10〉 승압모듈을 추가한 배터리 충전 실험결과 130
〈표 3-11〉 스텝업 MPPT 작용 배터리 충전 실험결과 131
〈표 3-12〉 열전발전 시스템 해석모델의 구성요소 및 재질 134
〈표 3-13〉 수치해석을 위한 경계조건 134
〈표 3-14〉 민감도 레벨별 변수 146
〈표 3-15〉 민감도 분석 시뮬레이션 결과 147
〈표 3-16〉 본 연구의 최종목표 및 달성현황 161
[그림 1-1] Peltier효과 및 Seebeck 효과 개념도 43
[그림 1-2] 무차원 성능지수(ZT)의 정의 및 열전소재의 온도에 따른 ZT 분포 44
[그림 1-3] 최근까지 개발된 열전소재의 ZT 현황 46
[그림 1-4] 2018년 한해 미국의 에너지 Flow chart 47
[그림 1-5] 최근 연구된 열전소재 ZT 비교 그래프 49
[그림 1-6] Bismuth Telluride(Bi₂Te₃) 결정 구조 50
[그림 1-7] Skutterudite(SKD) 결정 구조 51
[그림 1-8] Half-Heusler(HH) 결정 구조 51
[그림 1-9] 열전소자의 온도대역 별 출력 밀도 그래프 52
[그림 1-10] 중·고온 열전소자 적용 사례 52
[그림 1-11] Energy flow of a typical internal combustion engine 53
[그림 1-12] AETEGs integrated into two passenger cars 54
[그림 1-13] Installation image of an AETEG for a series HEV 54
[그림 1-14] Generated power and average fuel economy enhancement 55
[그림 1-15] Test platform for diesel engine automotive exhaust thermoelectric generator 55
[그림 2-1] 현재 개발중인 중온 열전모듈의 기술적 한계사례 60
[그림 2-2] 10시간 후열처리 결과로 3배이상 성장한 확산층 성장의 예(SKD/Ti 계면) 61
[그림 2-3] 연구과제 수행의 핵심 추진전략 구상도 62
[그림 2-4] 연구과제 수행의 핵심 추진전략 구상도 62
[그림 3-1] n, p 타입 Skutterudite 열전소재의 열전특성 65
[그림 3-2] n, p 타입 Skutterudite 열전소재 ZT 65
[그림 3-3] SPS 소결장비 모식도 68
[그림 3-4] 계면 SEM 사진 및 EDS 라인스캔 70
[그림 3-5] 계면의 접촉저항 그래프 71
[그림 3-6] 100시간 열처리 후 게면 SEM 사진 및 EDS 라인스캔 72
[그림 3-7] 100시간 열처리 후 계면의 접촉저항 그래프 72
[그림 3-8] Co₀.₆ Mo₀.₄ 금속화층과 n타입 및 p타입 SKD 계면 SEM 및 라인스캔 73
[그림 3-9] n, p 타입 SKD, Fe-Ni, Ti 의 열팽창계수 비교 74
[그림 3-10] Fe-Ni 금속화층 계면의 열처리 전/후 SEM 사진 및 EDS 라인스캔 75
[그림 3-11] Fe-Ni 금속화층의 열처리 전/후 접촉저항 변화 76
[그림 3-12] Fe-Ni 금속화층 p-SKD STEM 이미지 및 영역별 SEAD 패턴 77
[그림 3-13] Fe-Ni 금속화층 n-SKD STEM 이미지 및 영역별 SEAD 패턴 78
[그림 3-14] Fe-Ni 금속화층 550도 100시간 열처리 전/후 SEM 사진 및 EDS 라인스캔 78
[그림 3-15] ITO 금속화층 제작 공정 모식도 79
[그림 3-16] ITO 금속화층 계면의 열처리 전/후 SEM 이미지 및 EDS 라인스캔 80
[그림 3-17] ITO 금속화층의 열처리 전/후 접촉저항 변화 81
[그림 3-18] ITO 금속화층의 TEM 사진 및 EDS 라인스캔 82
[그림 3-19] ITO 금속화층 계면의 Diffraction pattern 분석 83
[그림 3-20] 열처리 온도별 ITO 금속화층 계면의 SEM 사진 및 EDS 라인스캔 84
[그림 3-21] 열전 소자 고온부 브레이징(brazing) 공정 모식도 85
[그림 3-22] 열전 소자 저온부 솔더링(Soldering) 공정 모식도 86
[그림 3-23] 8-couple SKD 열전소자 86
[그림 3-24] Ti, Fe-Ni 금속화층을 활용한 SKD 모듈의 온도에 따른 I-V, I-P 그래프 87
[그림 3-25] Fe-Ni 금속화층을 활용한 SKD 모듈의 온도에 따른 전류, 전압, 저항, 출력의 변화 그래프 88
[그림 3-26] Co₀.₆ Mo₀.₄ / (Mm,Sm)yCo₄Sb₁₂ 적용 열전소자의 출력 그래프[이미지참조] 89
[그림 3-27] Co₀.₆ Mo₀.₄ / (Mm,Sm)yCo₄Sb₁₂ 적용 열전소자의 신뢰성 측정 그래프[이미지참조] 90
[그림 3-28] ITO 금속화층을 사용한 SKD 열전소자의 I-V, I-P 그래프 91
[그림 3-29] ITO 금속화층을 사용한 SKD 열전소자 출력밀도 및 효율 91
[그림 3-30] ITO 금속화층을 사용한 SKD 열전소자 thermal cycling 테스트 결과 92
[그림 3-31] 중온열전모듈 전기출력 실험장치 전경 93
[그림 3-32] 중온열전모듈 전기출력 실험장치 데이터로거 화면(Labview) 94
[그림 3-33] 열교환기의 고온에 의한 열변형 사진 95
[그림 3-34] 고온부 열변형에 의한 접촉 불량 95
[그림 3-35] 열변형 방지전과 후의 접촉성능을 비교 96
[그림 3-36] 저온 및 고온열교환기 체결(24모듈, 평면도) 96
[그림 3-37] 저온 및 고온열교환기 체결(24모듈, 정면도) 96
[그림 3-38] 열전발전용 열교환기 시제작품 type 1 형상 97
[그림 3-39] 열전발전용 열교환기 시제작품 type 1 단면 형상 97
[그림 3-40] 열전발전용 열교환기 시제작품 type 1 사진 97
[그림 3-41] 열전발전용 열교환기 시제작품 type 1의 적층형 98
[그림 3-42] 열전발전용 열교환기 시제작품 type 2 이미지 99
[그림 3-43] 열전발전용 열교환기 type 2에 대한 내부 열유동 해석 결과(diffuser 높이 28mm) 99
[그림 3-44] 열전발전용 열교환기 시제작품 type 2 사진 99
[그림 3-45] 열교환기 형상에 따른 열전발전용 열교환기의 고온 가스 온도 분포 100
[그림 3-46] 열전발전용 열교환기 시제작품 type 2 개선형 이미지1 101
[그림 3-47] 열전발전용 열교환기 시제작품 type 2 개선형 이미지2 101
[그림 3-48] 열전발전용 소형 구조체 시제작품 형상 102
[그림 3-49] 열전발전용 소형 구조체 시제작품 사진 103
[그림 3-50] 열전발전용 구조체 개선형 랜더링 이미지 103
[그림 3-51] 열전발전용 구조체 시제작품 개선형 104
[그림 3-52] 자동차 적용을 위한 Boost-buck 컨버터 방식의 MPPT 시스템 105
[그림 3-53] Boost-buck 컨버터 회로도 106
[그림 3-54] 열전발전 배터리충전시스템 등가회로 106
[그림 3-55] MPPT 적용 배터리 충전시스템 시험장치 106
[그림 3-56] 열전발전시스템 성능 실험장치의 열전대 측정 위치 107
[그림 3-57] KIER 중온 열전모듈의 명시적 출력 특성 108
[그림 3-58] KIER 단일모듈의 열교환기 출력(△T≈300℃) 109
[그림 3-59] KIER 단일모듈의 열교환기 출력(△T≈400℃) 109
[그림 3-60] 중온 열전모듈들의 두께 분포 110
[그림 3-61] KIER 중온모듈의 설치 및 전기출력 실험 사진 111
[그림 3-62] KIER 중온열전모듈 성능 실험결과(고온가스 625℃, 표면온도 500℃, 1st line) 113
[그림 3-63] KIER 중온열전모듈 성능 실험결과(고온가스 625℃, 표면온도 500℃, 2nd line) 114
[그림 3-64] KIER 중온열전모듈 성능 실험결과(고온가스 625℃, 표면온도 500℃, 3개 직렬) 115
[그림 3-65] KIER 중온열전모듈 성능 실험결과(고온가스 온도별 12개 직렬) 116
[그림 3-66] 열교환기 내부 고온가스 및 표면 온도 비교 117
[그림 3-67] KIER 중온열전모듈의 온도별 열효율(12개 직렬) 118
[그림 3-68] KIER 중온모듈의 설치 사진(24개 배열) 118
[그림 3-69] KIER 중온열전모듈 성능 실험결과(고온가스 온도별 24개 직렬) 119
[그림 3-70] 배기가스 유량변화에 대한 출력성능(각 열별 6개, 총 24개 모듈) 120
[그림 3-71] 각 열별 출력성능 120
[그림 3-72] KIER 중온열전모듈 배열의 시스템 열효율(24개 모듈) 121
[그림 3-73] KIER 중온열전모듈 24개 직렬배열의 성능측정 화면(고온가스 623℃) 122
[그림 3-74] 기밀형 열교환기의 설치 사진(24개 배열) 123
[그림 3-75] 기밀형 열교환기 성능 실험결과(24개 직렬) 124
[그림 3-76] 기밀형 열교환기 시제품의 접촉 성능 향상 방안 124
[그림 3-77] 외국산 중온 열전모듈의 사진 및 제시된 성능 125
[그림 3-78] 외국산 모듈의 내부 크기(62 mm × 62 mm) 및 제시된 변환 효율 125
[그림 3-79] 외국산 모듈의 제시된 전기출력 특성 126
[그림 3-80] 외국산 중온모듈의 설치 사진 127
[그림 3-81] 외국산 단일 중온모듈의 출력 성능(T_in=600℃) 127
[그림 3-82] 외국산 중온모듈 2개의 출력 성능(T_in=600℃, 상하 직렬) 128
[그림 3-83] 외국산 중온모듈의 내구 구조 128
[그림 3-84] 승압모듈을 추가한 배터리 충전 시스템 129
[그림 3-85] 스텝업 기능의 MPPT 적용 배터리 충전 시스템 130
[그림 3-86] 차량용 열전발전 시스템 해석모델 132
[그림 3-87] 차량용 열전발전 시스템 해석모델의 격자 생성 133
[그림 3-88] 차량용 열전발전 시스템 해석모델의 Mesh quality test 134
[그림 3-89] Skutterudite의 전기적 및 열적 물성치 135
[그림 3-90] 기본형 열교환기의 온도 분포 136
[그림 3-91] 열교환기 최대 표면온도에 따른 TEG 모듈 열전발전 고온부 및 저온부 온도 특성 136
[그림 3-92] 기존 기본형 열교환기 열해석 결과의 검증 137
[그림 3-93] 기밀형 열교환기의 온도 분포 138
[그림 3-94] 기밀형 열교환기의 모듈별 온도 특성 138
[그림 3-95] 다양한 형상의 열교환기를 적용한 기본형 열교환기 139
[그림 3-96] 다양한 형상의 열교환기를 적용한 기밀형 열교환기 140
[그림 3-97] 열교환기 형상에 따른 기본형 열교환기의 고온 가스 온도 분포 142
[그림 3-98] 열교환기 형상에 따른 기본형 열교환기의 고온가스 입출구측 온도차 및 압력강하 특성 142
[그림 3-99] 열교환기 형상에 따른 기밀형 열교환기의 고온 가스 온도 분포 144
[그림 3-100] 열교환기 형상에 따른 기밀형 열교환기의 고온가스 입출구측 온도차 및 압력강하 특성 144
[그림 3-101] 고온 가스 온도차에 대한 민감도 분석 매개변수의 영향도 비중 147
[그림 3-102] 압력강하에 대한 민감도 분석 매개변수의 영향도 비중 148
[그림 3-103] ANSYS CFX solver와 Thermoelectric solver 연계해석 149
[그림 3-104] 기본형 열교환기의 열전발전 모듈 위치별 발전량 특성 150
[그림 3-105] 고온 가스 온도에 따른 기본형 열교환기의 발전량 특성 151
[그림 3-106] 고온 가스 온도에 따른 기본형 열교환기의 발전효율 특성 151
[그림 3-107] 열교환기 모델에 따른 기본형 열교환기의 발전량 특성 152
[그림 3-108] 열교환기 모델에 따른 기본형 열교환기의 발전효율 특성 153
[그림 3-109] 고온 가스 온도에 따른 기밀형 열교환기용 D11 열교환기 모델의 발전량 특성 154
[그림 3-110] 최적 열교환기 모델을 적용한 열전발전 시스템의 발전성능 분석 155
[그림 3-111] 기존 열교환기(D0)를 적용한 80 TEG 열전발전 시스템 해석모델 156
[그림 3-112] 기존 열교환기(D0)를 적용한 300W급 열교환기 온도 분포 156
[그림 3-113] 기존 열교환기(D0)를 적용한 300W급 열교환기의 모듈별 온도 특성 157
[그림 3-114] 개선 열교환기(D11)를 적용한 80 TEG 열전발전 시스템 해석 모델 157
[그림 3-115] 개선 열교환기(D11)를 적용한 300W급 열교환기 온도 분포 158
[그림 3-116] 개선 열교환기(D11)를 적용한 300W급 열교환기의 모듈별 온도 특성 159
[그림 3-117] 열교환기 형상 및 열전발전 시스템 규모에 따른 열전발전 시스템의 발전성능 분석 159