초록 ▼

본 연구는 차세대 고효율 알칼라인 수전해 원천기술개발을 주요 목표로 하며 1단계 내 주요 연구결과는 아래와 같음.
- Proprietary 도금조의 구성을 통해 수직배향 기공을 갖는 다공성 Ni-Zn-Fe(Co) 전극을 적용한 알칼라인 수전해 셀을 구성하여 효율 85%@ 400mA/cm² 달성함.
- 위 전극의 산염피막처리를 통하여 on/off 운전시 전극의 내구성을 향상시킴.
- 상용 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 고효율 NiFeOOH-LDH, CoFeP촉매를 개발함.
- 균일한 Ni 대면적 도금을 위하여 공

본 연구는 차세대 고효율 알칼라인 수전해 원천기술개발을 주요 목표로 하며 1단계 내 주요 연구결과는 아래와 같음.
- Proprietary 도금조의 구성을 통해 수직배향 기공을 갖는 다공성 Ni-Zn-Fe(Co) 전극을 적용한 알칼라인 수전해 셀을 구성하여 효율 85%@ 400mA/cm² 달성함.
- 위 전극의 산염피막처리를 통하여 on/off 운전시 전극의 내구성을 향상시킴.
- 상용 귀금속 촉매를 대체할 수 있는 고효율 NiFeOOH-LDH, CoFeP촉매를 개발함.
- 균일한 Ni 대면적 도금을 위하여 공정변수인 전류밀도 및 전류파형 등을 최적화 하고, 차폐막 적용을 통해 공정 최적화를 진행하였음.
- 유기첨가제(1st 및 2nd class carrier, 평탄제) 조건을 최적화하여 저응력·고균일 Ni 도금막을 형성에 성공하였고, 대면적 전극 생산을 위한 300 mm급 Ni 전극용 도금 장비를 구성함.
- 상용막 수준 이상의 액체 KOH전해질에 대한 저항 최소화 및 수소/산소 가스혼합을 억제하는 무기 복합 다공성 분리막을 개발함.

(출처 : 보고서 요약서(세부: 수소생산1) 3p)

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성
1. 친환경적이며 지속가능한 신재생에너지의 필요성
√ 제한된 화석연료와 이를 연소하면서 발생하는 대기오염을 해결하기 위해 친환경적이며 청정한 에너지 생산의 필요성이 부각되고 있음. 이산화탄소 저감 및 기온상승 제한 정책에 청정 수소 생산은 온실가스 배출이 없는 연료를 생산한다는 점과 이산화탄소를 전환하는 데 이용되는 수소를 친환경적으로 공급할 수 있다는 데 그 당위성이 입증됨.
√ 국내 에너지 공급의 97% 이상을 수입하고 있을 정도로 우리나라의 에너지 경쟁력인 현저히 낮은 순위에 머무르고 있음. 특히나 신재생 에너지(수력, 풍력, 조력, 태양력, 등) 생산 기술은 3% 못 미칠 정도로 기술력과 생산력이 저조함.
2. 차세대 광-하이브리드 수소 생산 시스템 개발의 필요성 및 중요성
√ 광-하이브리드 수소생산원천기술을 선점한다면, 대부분의 에너지원을 수입하는 우리나라의 에너지 자립 한계를 극복할 수 있음. 또한 광전극의 PV 보다 매우 저렴하기 때문에 생산비용 절감에도 크게 기여하여 실용화를 앞당길 수 있음.

Ⅲ. 연구개발의 내용 및 목표
1. 태양광 에너지원을 기반으로 물을 분해하여 수소를 생산하는 차세대 광-하이브리드 수소생산 원천기술 개발인가되는 외부전압 없이 구동하는 광전기화학적 하이브리드 수소 생산 시스템 개발
√ 광촉매 개질 및 조촉매와의 결합을 통한 고효율 광소재 및 광전극 개발
√ 태양광- 수소전환 효율 > 12% (1 sun, 50h)
2. 광촉매-효소-미생물 융합을 통한 광 바이오 수소 생산 시스템 개발
√ 광-바이오 태양광 수소 전환 효율 >5%

Ⅳ. 연구개발결과
√ 광촉매 및 광전극 형태 개질 : 나노구조화를 통해 효과적인 광여기 전자 전공의 분리
√ 촉매 내 도핑： 소량의 불순물을 첨가함으로써, 전자전달 효율 향상
√ 촉매 표면 개질 : 비백금 기반 전기촉매를 이용하여 표면을 개질함으로써, 안정성 향상 및 표면 전자/전공 전달 촉진
√ 복합적으로 개질된 광촉매 및 광전극의 30% 이상의 활성 증대 및 안정성 확보
√ PEC 하이브리드 적용을 위한 전반적인 시스템 완비 및 시험
√ PEC tandem 시스템을 이용하여 7.7%의 STH 달성, PV-EC 시스템을 이용하여 12% 달성
√ 효소 전극의 최적화 고정화 기술을 통한 비 백금계 광촉매-효소 융합 수소생산 기술 확보
√ 광촉매-효소 전극으로 이원화된 시스템 개발을 통한 고효율 텐텀 수소 생산 구축

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획
√ 개발될 차세대 광 하이브리드 PEC 수소생산 시스템은 태양에너지와 물이 공급되는 환경에서 장소 불문하고 설치 및 사용이 가능하므로 지역 및 에너지 자원 편재의 한계 극복 가능함.
√ 태양에너지와 물로 수소를 생산하는 과정에서 다른 부산물의 생산이 없기 때문에 친환경적이며 특히나 생산된 수소는 화학에너지의 하나로 높은 에너지 밀도를 가지기 때문에 신재생 에너지 개발 취지에 매우 부합 함.
√ 본 연구 진행과정에서 비단 수소 생산 기반 연구뿐만 아니라, 반도체 소재의 나노구조화/도핑 및 전기촉매의 개발이 동시에 진행되므로 반도체 및 무기 소재 산업, 박막 및 나노구조화 산업 발전에 적용됨.
√ 특히나 광촉매 바이오 융합 수소 생산 시스템에서는 폐수를 전자 발생, 수소생산이 진행되므로 폐수처리에도 효과적인 기술이 됨.

(출처 : 보고서 요약서(세부: 수소생산2) 4p)

본 과제를 통해 생산한 연구결과를 요약하면 다음과 같음.
(1) 정치형 응용에 적합한 고용량 수소저장소재 발굴 및 탈수소화 촉매 개발
□ 금속수소화물
⋅ 금속수소화물 기반 > 5.5 wt% 또는 70 kg-H₂/m³ 이상의 수소저장밀도를 가지는 소재 스크리닝 및 소재의 수소 흡착⋅탈착 특성 규명
⋅ 고효율 고체수소저장 소재로서 신규 Mg-Fe 및 Mg-Ni 계 소재 발굴
⋅ Mg-Fe 소재 기반 Mg2FeH6 저온 합성 공정 및 롤밀링 공정 개발
⋅ Mg2NiH4를 포함하는 MgH2 복합수소화물을 분말공정이 생략된 주조공정으로 제조하여 우수한 수소저장 특성을 확인

□ 화학수소화물
⋅ 화학수소화물 기반 > 4.4 wt% 이상의 수소저장용량을 가지는 소재 발굴 및 수소 흡착/탈착 반응용 고성능 촉매 개발 및 성능 평가 (3 L/min 수소방출이 가능한 촉매 확보)
⋅ 화학수소화물 기반 고효율 수소 방출용 단일금속/다중금속 촉매 개발 및 특성 최적화
⋅ 수소 방출용 금속 촉매의 크기, 조성, 구조적 배열의 미세조절 기술 실현 및 구조 특성에 따른 촉매성 향상
⋅ 소재대비 >19 wt% 이상의 수소저장밀도를 가지는 NH3BH3에 대한 고성능 금속촉매 확보(수소방출속도: >15 L/min)
⋅ 고효율 액상 화학수소화물 후보인 개미산, 포메이트, 및 시클로알칸 열매체유 소재 기반 고성능 탈수소화 촉매 개발 및 가역성 확인
⋅ 상기 소재 기반 수소 흡착 및 탈착 메커니즘 규명을 통한 신소재 설계
⋅ 제일원리계산을 이용한 전이금속 나노입자, 그래핀, 나노입자-그래핀 구조 최적화
⋅ 포메이트에 의한 음이온 환경 모사를 위한 Pd12NC-G 촉매 시스템 최적화 및 전자구조 분석(스핀 밀도 분석)
⋅ Pd₃₈NC-Ni(OH)₂(100)-G 표면을 활용한 HCOOH 탈수소화 반응경로 분석 및 내구성 분석

(2) 선정된 수소저장소재를 이용한 수소저장시스템 개발
⋅ 금속수소화물: Mg₂FeH₆ 기반 수소저장시스템 설계 및 고온에서 수소의 흡방출량 제어 및 측정이 가능한 300g(0.7 kWh) 급 소재 규모의 대용량 고체수소저장 반응기 개발
⋅ 화학수소화물: 개미산/포메이트 기반 수소저장시스템 설계 및 연속운전으로 방출되는 수소를 이용한 100 W 급 고분자막 연료전지 연계 시스템 개발

(출처 : 보고서 요약서(세부: 수소저장) 7p)

Abstract ▼

The main objective of this research is to develop next generation of core technologies for hydrogen production and storage. The hydrogen production from alkaline water electrolsis and unbiased photoelectrochemical hybrid system are selected to study. Also, the hydrogen stroage techniques by metal hy

The main objective of this research is to develop next generation of core technologies for hydrogen production and storage. The hydrogen production from alkaline water electrolsis and unbiased photoelectrochemical hybrid system are selected to study. Also, the hydrogen stroage techniques by metal hydride and liquid organic hydrogen carrier are discussed in this report. The specific task for the each projects are as below.
○ Hydrogen energy storage system can open for the opportunity in energy industry including the oil and gas industry, utilities and power grid providers, auto industry, and local, regional and national authorities.
○ Localized the core technologies on electrolysis can bring us a leadership on the energy industry.
○ Resolve the issue on power transmitting to off-sites by adopting distributed power generation system
○ As integration of high efficient and low cost alkaline electrolyzer into the power generation, it can contribute significantly to deploy more economical and scalable renewable energy related systems by conversion of unstable renewable energy such as wind and solar to the stable hydrogen energy

For the alkaline water electroysis project,
○ Prepare highly efficient and durable HER/OER electrodes by ‘single-step’ fabrication
- Design porous Ni-Zn-Fe(Co) electrodes for HER/OER prepared by electrochemical deposition
- Design porous a Ni-Al electrode for HER prepared by physical vapor deposition
- Design Ni-Fe layered double hydroxide electrodes for OER prepared by hydrothermal method
○ Prepare active and durable HER/OER electrodes by ‘multi-step’ fabrication
- Design porous transition phosphides(CoFeP) for bi-functional OER/HER catalyst
○ Optizmize the Ni layer formed on complex substrates by electrodeposition process
- Study on the Ni electroplating with low internal stress
- Design and development of large-area plating equipment for complex structured electrode with 300 mm in diameter
○ Design a separator and anion exchange membrane for alkaline electrolyzer
- Synthesize a composite membrane composed of polysulfone and ZrO2 nanoparticle with optimum ratio
- Synthesize a Poly Arylene Ether Ketone membrane with functionalized by aromatic amine groups
- Developed a robust and porous Ni-Zn-Fe-P electrode for HER/OER prepared by electrochemical deposition
○ Obtain fundamental technologies to fabricate highly efficient, cheap, durable electrolyzer components
○ Develope localized components including non-noble meteal electrodes, separator/membrane, and bipolar plates

For the photoelectrochemical hybrid system,
○ Unbiased photoelectrochemical hybrid hydrogen generation system
○ Tandem system combining photocatalyst/photoelectrode and perovskite solar cell
○ Solar to hydrogen efficiency >12% (1sun, 50h)
- Nanostructuring of photocatalyst and photoelectrodes for photoexcited electron/hole pair separation
- Doping in photocatalyst for electron transport property
- Surface modification with non-pt based electrocatalyst for effective electron transfer on surface and long-term stability
- Set-Up for unbiased solar hydrogen evolution system using PEC-Solar cell
○ Photocatalyst-bio solar to hydrogen efficiency > 5%
- Development of photoanode suggested doping and applied junction with oxide and semiconductor
- Optimization of enzyme based cathode and development of non-pt electrocatalyst
- Set-up of photocatalyst-enzyme-microalgae system and production of hydrogen evolution efficiency over 5 %

For the hydrogen storage project,
As a storage method of hydrogen, solid state hydrogen storage should also be considered because of its high volumetric energy density and high level of safety thanks to the low pressure during operation and storage compared to the conventional way of hydrogen storage and transportation which is a pressurized gas tank. Also, solid state hydrogen storage can support the storage based on LOHC because the solid state storage has faster reaction kinetics than that of LOHC-based system by taking the role of fast-responding unit.
In those respects, we studied some practical aspects of Mg-based hydrogen storage materials including the cost-effective process, hydrogenation/dehydrogenation behavior, cyclic stability, and large scale applications. Low temperature formation of Mg2FeH6 as well as a new process method called vertical roll milling for mass production of the hydride phase was studied. Also, a simple casting method was applied to produce composites of Mg and Mg2Ni with variation in concentration resulting in the composite hydrides of MgH2 and Mg2NiH4 which have outstanding properties both in gravimetric capacity and reaction kinetics.
Expanding the material scale over the lab-scale experiment, we developed a large scale reactor running at high temperature with defined pressure allowing hydrogen gas to flow in and out of the tank in a quantitatively recordable and controllable way. We successfully carried out experiments with material of 50g and came up with a computational method to analyze our large scale experimental data.

(출처 : SUMMARY 13p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요 약 문 ... 9
• SUMMARY ... 13
• CONTENTS ... 16
• 목차 ... 17
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 18
• 제 1 절 1세부 ... 18
• 제 2 절 2세부 ... 19
• 제 3 절 3세부 ... 22
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 30
• 제 1 절 1세부 ... 30
• 제 2 절 2세부 ... 34
• 제 3 절 3세부 ... 39
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 45
• 제 1 절 1세부 ... 45
• 제 2 절 2세부 ... 185
• 제 3 절 3세부 ... 215
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 273
• 제 1 절 목표달성도 ... 273
• 제 2 절 관련분야에의 기여도 ... 279
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 281
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 285
• 제 7 장 참고문헌 ... 295
• 끝페이지 ... 300