[표지] 1
제출문 2
요약문 3
SUMMARY 6
CONTENTS 9
목차 12
제1장 서론 19
제1절 연구 목적 19
제2절 기술의 개요 22
1. 암모니아 생산 방법 22
2. 전기화학적 암모니아 기술 개발의 필요성 및 차별성 25
3. 전기화학적 암모니아 생산 국외 기술 개발 현황 28
4. 국외 기술과 우리 기술의 비교 32
제2장 연구 개발 목표 및 추진 내용 34
제1절 최종 목표 34
제2절 연구개발 추진 내용 34
제3장 핵심 기술별 연구 결과 38
제1절 고체상 분리막 전해셀 기반 암모니아 합성 38
1. 나노 촉매를 이용한 전기화학적 암모니아 합성 38
2. 단일원자 촉매를 이용한 전기화학적 암모니아 생산 40
3. 생산 가스 재순환법을 이용한 전기화학적 암모니아 생산 41
4. 질소 다결점 촉매 이용 전기화학적 암모니아 합성 43
제2절 액상 전해셀 기반 암모니아 합성 51
1. 금속산화물 부유촉매를 적용한 암모니아 합성결과 51
2. 금속질화물 부유촉매를 적용한 암모니아 합성결과 54
3. Li 매개체를 이용한 전기화학적 암모니아 합성 실험 57
4. AEM기반 액상 진해셀과 Fe 전극 촉매를 이용한 전기화학적 암모니아 합성 60
제3절 전기화학적 암모니아 합성 경세성 평가 65
1. 주요 연구 내용 65
2. 연구 결과 77
제4절 저농도 암모니아 분리농축을 위한 금속 첨착 활성탄의 제조 연구 98
1. 흡착 성능 평가 98
2. 파과실험 분석결과 100
제4장 결론 105
참고문헌 109
[뒷표지] 111
〈표 1-1〉 하버-보슈와 전기화학적 암모니아 합성 기술의 비교 27
〈표 1-2〉 배터리와 전기화학적 암모니아 합성 기술의 비교 28
〈표 1-3〉 용융염 전해셀 이용 전기화학적 암모니아 합성 연구 내용 29
〈표 1-4〉 미국 ARPA-E REFUEL 과제 현황 30
〈표 1-5〉 기술별 에너지소비량 암모니아 생산단가 비교 31
〈표 2-1〉 고체상 분리막 기반 전해셀 이용 암모니아 합성 기술의 핵심 문제 타개 전략 36
〈표 2-2〉 액상 전해셀 기반 암모니아 합성 기술의 핵심 문제 타개 전략 37
〈표 3-1〉 알칼리염 수용액 전해셀 기반 암모니아 합성 실험 조건 51
〈표 3-2〉 경제성 평가 분류 66
〈표 3-3〉 규모에 따른 재생에너지기반 수소 생산 시스템 비용 68
〈표 3-4〉 106 ton-NH₃ d⁻¹(약 100 ton-NH₃ d⁻¹) 암모니아 합성을 위한 고체상 전기화학적...[이미지참조] 78
〈표 3-5〉 106 ton-NH₃ d⁻¹(약 100 ton_NH₃ d⁻¹) 암모니아 합성을 위한 고체상 전기화학적...[이미지참조] 78
〈표 3-6〉 99.6 ton-NH₃ d⁻¹(약 100 ton-NH₃ d⁻¹) 암모니아 합성을 위한 액체상 전기화학적...[이미지참조] 81
〈표 3-7〉 99.6 ton-NH₃ d⁻¹(약 100 ton-NH₃ d⁻¹) 암모니아 합성을 위한 액체상 전기화학적...[이미지참조] 82
〈표 3-8〉 TSA 반응 조건에서 파과 실험 분석 결과 99
〈표 3-9〉 마그네슘 첨착 활성탄의 파과 실험 분석 결과 101
〈표 3-10〉 마그네슘 첨착 활성탄의 파과실험 분석 결과 103
〈그림 1-1〉 암모니아 수소 저장체로의 장점 20
〈그림 1-2〉 무탄소 암모니아의 높은 에너지 밀도 20
〈그림 1-3〉 암모니아 에너지 시스템 21
〈그림 1-4〉 천연가스를 이용한 Haber-Bosch 암모니아 생산 공정 22
〈그림 1-5〉 고체상 분리막 기반 전해셀 이용 전기화학적 암모니아 생산기술 (Solid State Ammonia Synthesis, SSAS) 23
〈그림 1-6〉 액상 기반 전해셀 이용 전기화학적 암모니아 생산기술 (Liquid Satate Ammonia Synthesis, LSAS) 24
〈그림 1-7〉 전기화학적 암모니아 생산 개요 24
〈그림 1-8〉 신재생에너지 발전 비중에 따른 신재생에너지 손실량 증가(좌) 및 PV의 가격 상승(우) 25
〈그림 1-9〉 호주-일본 수소 운송가격 비교 26
〈그림 1-10〉 Los Alamos 전기화학적 암모니아 합성 28
〈그림 1-11〉 일본 energy carrier project 과제 구성도 29
〈그림 1-12〉 Proton Onsite 암모니아 생산 기술 개발 계획 31
〈그림 1-13〉 전기화학적 암모니아 합성 현재 수준 및 미국 DOE 최종 목표 33
〈그림 2-1〉 고체상 분리막 전해셀 기반 전기화학적 암모니아 생산법(Solid State Ammonia Synthesis (SSAS)) 35
〈그림 2-2〉 액상 전해셀 이용 전기화학적 암모니아 생산법(Liquid State Ammonia Synthesis (LSAS)) 35
〈그림 3-1〉 고체상 분리막 기반 암모니아 합성용 전해셀 및 25℃ 인가전압 1.2-3.0 V에 따른... 39
〈그림 3-2〉 온도 40-60℃와 인가전압 1.2-3.0 V에 따른 암모니아 합성률 및 패러데이 효율 39
〈그림 3-4〉 생산 가스 재순환을 방법을 적용한 전기화학적 암모니아 생산 방법 42
〈그림 3-5〉 생산가스 재순환과 비재순환에 따른 전기화학적 암모니아 합성률 43
〈그림 3-6〉 질소 다결점 금속질화물 촉매 제조를 위한 반응시스템 도면 44
〈그림 3-7〉 질소 다결점 금속질화물 촉매 제조를 위한 반응시스템 및 암모니아 센서 사진 45
〈그림 3-8〉 고체상 전해셀 기반 암모니아 합성 시스템 및 전해셀 모식도 46
〈그림 3-9〉 음이온 교환막을 이용한 고체상 전해셀 시스템 47
〈그림 3-10〉 양이온 교환막을 이용한 고체상 전해셀 시스템 48
〈그림 3-11〉 음이온 교환막을 이용한 암모니아 합성 결과(ZrN) 49
〈그림 3-12〉 양이온 교환막을 이용한 암모니아 합성 결과(ZrN) 50
〈그림 3-13〉 양이온 교환막을 이용한 암모니아 합성 결과(Au) 51
〈그림 3-14〉 인가전압 2.0 V에서 Fe₂O₃ 부유촉매를 이용하여 온도 및 압력에 따른 암모니아 합성률 및... 52
〈그림 3-15〉 Fe₂O₃ 부유촉매를 이용하여 온도 및 인가전압에 따른 암모니아 합성률 및 패러데이 효율 53
〈그림 3-16〉 산화철 기반 부유촉매 이용 전기화학적 암모니아 합성 (a) Fe₂O₃, (b) Fe-A... 54
〈그림 3-17〉 ZrN 부유촉매를 이용하여 인가전압 1.8 V (위) 및 2.0 V (가운데)에서 온도에 따른 암모니아 합성률 및 패러데이... 56
〈그림 3-18〉 VN, V(Fe)N, 및 ZrN 나노 부유 촉매 부유촉매를 이용하여 80℃ 1.8 V에서의 암모니아 합성률 및 패러데이 효율 57
〈그림 3-19〉 리튬이온배터리 용매 기반 전기화학적 암모니아 합성 공정의 3단계 모식도 58
〈그림 3-20〉 리륨이온배터리 용매 기반 전기화학적 암모니아 합성 시 nitridation 시간 및 리튬... 58
〈그림 3-21〉 리튬 증착 직후 표면 형상; (왼쪽) 첨가제 미첨가, (오른쪽) 첨가제 첨가 59
〈그림 3-22〉 리튬 증착 직후 표면 형상; (왼쪽) 첨가제 미첨가, (오른쪽) 첨가제 첨가 59
〈그림 3-23〉 암모니아 합성용 전극 촉매 합성 과정 60
〈그림 3-24〉 상온에서 -0.4 ~ 0.1 V(vs. RHE)의 암모니아 합성량 및 패러데이 효율 61
〈그림 3-24〉 상온에서 -0.4 ~ 0.1 V(vs. RHE)의 암모니아 합성량 및 패러데이 효율 63
〈그림 3-26〉 0℃, -0.1 V(vs.RHE)에서 Fe3C/Fe2O3/Fe/C, 포집액 UV-vis... 64
〈그림 3-27〉 PEM 수전해 기기 비용 지수(cost exponent) 69
〈그림 3-28〉 알카라인 수전해 기기 비용 지수(cost exponent) 69
〈그림 3-29〉 2005-2012년 CEPCI 70
〈그림 3-30〉 2009-2016년 CEPCI 70
〈그림 3-31〉 항목별 경제성 평가 전체 과정 72
〈그림 3-32〉 민감도 분석 표현 방법 73
〈그림 3-33〉 삼각 분포(Triangular distribution) 74
〈그림 3-34〉 일반적인 확률 분석 방법 75
〈그림 3-35〉 고체상 전기화학적 암모니아 합성 기반 암모니아 생산 규모 및 재생에너지기반 전기 비용 변동에... 80
〈그림 3-36〉 액체상 전기화학적 암모니아 합성 기반 암모니아 생산 규모 및 재생에너지기반 전기 비용 변동에... 83
〈그림 3-37〉 고체상 전기화학적 암모니아 합성(SSAS) 및 액체상 전기화학적 암모니아 합성(LSAS)을 이용한... 84
〈그림 3-38〉 고체상 전기화학적 암모니아 합성 공정 민감도 분석 결과(기준 전기 단가인 경우) 86
〈그림 3-39〉 고체상 전기화학적 암모니아 합성 공정: 재생에너지 기반 전기 비용 단가... 86
〈그림 3-40〉 액체상 전기화학적 암모니아 합성 공정 민감도 분석 결과(기준 전기 단가인 경우) 87
〈그림 3-41〉 액체상 전기화학적 암모니아 합성 공정: 재생에너지 기반 전기 비용 단가... 88
〈그림 3-42〉 약 100 ton-NH₃ d⁻¹ 암모니아 합성을 위한 고체상 전기화학적 암모니아 합성 공정에 관한 확률 분석[이미지참조] 90
〈그림 3-43〉 약 100 ton-NH₃ d⁻¹ 암모니아 합성을 위한 액체상 전기화학적 암모니아 합성 공정에 관한 확률 분석[이미지참조] 91
〈그림 3-44〉 고체상 전기화학적 암모니아 합성 공정에서 Faradaic efficiency가 30%일... 93
〈그림 3-45〉 고체상 전기화학적 암모니아 합성 공정에서 Faradaic efficiency가 50%일... 93
〈그림 3-46〉 고체상 전기화학적 암모니아 합성 공정에서 Faradaic efficiency가 70%일... 94
〈그림 3-47〉 고체상 전기화학적 암모니아 합성 공정에서 Faradaic efficiency가 90%일... 94
〈그림 3-48〉 액체상 전기화학적 암모니아 합성 공정에서 Faradaic efficiency가 30%일... 95
〈그림 3-49〉 액체상 전기화학적 암모니아 합성 공정에서 Faradaic efficiency가 50%일... 96
〈그림 3-50〉 액체상 전기화학적 암모니아 합성 공정에서 Faradaic efficiency가 70%일... 96
〈그림 3-51〉 액체상 전기화학적 암모니아 합성 공정에서 Faradaic efficiency가 90%일... 97
〈그림 3-52〉 마그네슘 첨착 활성탄의 파과 실험 분석 결과(TSA) 99
〈그림 3-53〉 마그네슘 첨착 활성탄의 파과 실험 분석 결과(TSA) 100
〈그림 3-54〉 마그네슘 첨착 활성탄의 파과 실험 분석 결과(PSA, 7 bar) 101
〈그림 3-55〉 마그네슘 첨착 활성탄의 반복 파과 실험 분석 결과(PSA, 7 bar) 102
〈그림 3-56〉 마그네슘 첨착 활성탄의 파과 실험 분석 결과(PTSA, 7 bar) 103
〈그림 3-57〉 마그네슘 첨착 활성탄의 반복 파과 실험 분석 결과(PTSA, 7 bar) 104