화학자로서 세상을 위해 하고싶은 연구(수소에너지)

목차

1. 수소의 발견

2. 수소에너지 이용 현황

3. 수소의 생산
3.1. 수소생산공정연구
3.1.1. 수소 프로젝트 기술 개발의 경로
3.1.2. 천연가스전환기술
3.1.3. 석탄가스화 가스 공정
3.1.4. 제철소 부생가스 이용공정
3.1.5. 물의 열분해공정
3.1.6. 물의 Radiolysis, 광분해 공정
3.1.7. 전기분해법
3.1.8. Biomass conversion process

4. 수소저장기술
4.1. 금속수소화물 저장합금
4.2. 화합물에 의한 수소 저장기술
4.3. 제올라이트분자체에 의한 수소저장기술
4.4. 카본나노튜브에 의한 수소저장
4.5. 수소저장합금의 응용

5. 수소이용
5.1. 연료전지 수소자동차
5.2. 연료전지

6. 내가 해보고 싶은 연구

본문내용

내에서의 진공단열, 펄라이트로 충진하여 진공을 유지해야 한다.
5. 수소이용
일반적으로 수소는 수소첨가/분해 석유정제공정, 석유화학공업에 많이 응용되고 있고 유지경화, 핵융합수소에너지, 화학원료, 수소연료 등 다용도로 사용되고 있다. 그 중 21세기에 있어서 우주산업과 지식정보화사회의 필수품으로 등장된 휴대용 전자기기에 발전적 연구 및 니켈-금속수소화물 전지는 기존의 니켈-카드뮴 전지에 카드뮴 음극을 대체한 연료전지로서 전기/수소 자동차부문의 사용범위가 더욱 확대되고 있다.
5.1. 연료전지 수소자동차
증기 자동차는 전기나 수소이용 자동차로 변화하고 있다. 수소 직접분사 인젝터 개발, 엔진 성능 및 배기, 제어시스템 개발, 수소 저장장치의 연구는 금세대의 국가단위 특정과제가 되고 있다.
우리나라의 수소엔진 자동차에 관한 연구는 G7 차세대자동차 기술개발사업으로 1993년부터 현대자동차의 주관아래 진행되어 오고 있다. 수행된 제1단계 기초기술확립 연구에 있어서는 단기통 및 다기통 엔진을 이용한 기본시험을 완료하였으며 제2단계 연구에 있어서는 수소 직접분사 인젝터개발, 엔진 성능 및 배기개발, 엔진 제어 시스템 개발, 수소 저장장치 등에 주력하고 있다고 한다. 현대자동차는 이러한 시험결과를 바탕으로 1994년 엑센트 수소자동차를 제작한 바있으며, 1997년 5월에는 티뷰론 차량에 직접 분사식 수소엔진과 각종제어 시스템 및 안전장치를 탑재하고 Metal Hybride수소저장 시스템을 사용하는 차량을 제작하여 현재까지 엔진 및 차량의 연소 및 배기특성과 주행성능에 관한 연구를 진행하고 있다.
다임러-벤츠는 2005년 시판을 목표로 한 『네카3』개발을 위해 몇 년전부터 매년 1억5천만~1억8천만 마르크(1천1백20억~1천3백50억원)를 투입하고 있으며 독일연방정부도 지금까지 1억7천만마르크를 지원했다. 독일 다임러-벤츠사가 메르세데스-벤츠의 소형 A-클래스를 기본모델로 한 『네카3』는 메탄올을 수소로 바꿔주는 연료전지를 이용, 엔진을 구동하기 때문에 기존의 화석연료 자동차 보다 유해가스 배출량이 훨씬 적다. 이산화탄소 배출량은 기존 자동차의 50%이며 일산화탄소, 아황산가스, 산화질소는 1%에 불과한 것으로 나타났다.
수소연료 전지자동차는 수소에너지 이용기술 중에서는 가장 빠르게 실용화가 전망되는 이용형태가 되어, 21세기초의 10년간은 각국간의 개발 경쟁이 예상된다고 한다. 80년대에는 독일과 사우디아라비아, 또한 EU와 캐나다와의 공동프로젝트가 시작된 것 외에 미국의 장기수소에너지 계획 등이 있다.
각국의 연료전지 자동차 개발을 위한 정부 프로그램
국가
프로젝트
(추진기관)
개발기간
예산
개발목표
미국
Freedom CAR
(에너지성)
02~10
$5억
·수소 자동차 개발을 통한 에너지 자급자족 실현
·자동차 효율개선을 통한 석유 소비 저감
Freedom FUEL
(에너지성)
03~15
$12억
·연료전지, 수소생산 저장기술 개발을 통한 수소
에너지 사회로 발전
수소자동차/인프라시범운행 프로그램
(에너지성)
04~08
$2.4억
·연료전지 자동차와 수소 인프라 시범 운행을
통한 향후 연구개발 방향 설정
일본
수소/연료전지 시범운행 프로젝트
(경제산업성)
02~04
680억엔
·연료전지 자동차와 수소 인프라 시범 운행을
통한 에너지절감 및 환경개선 효과 파악, 향후
연구개발 방향 설정
유럽
6차 Frame Work Project
(EC)
03~06
21억유로
·자동차용 청정에너지/재생에너지 개발을 통한
수소에너지 사회로의 전환
중국
863 프로젝트
(중앙정부)
수소기술
01~05
1,500억원
·중국 자동차 산업의 기술경쟁력을 높이는 수단
으로 연료전지 자동차 개발 지원
R&D 프로젝트
(한림원)
02~04
$1,200만
·수소기술 보유를 통한 국가 경쟁력 제고
5.2. 연료전지
연료전지는 수소연료와 산소(공기)를 수백 장의 연료전지본체(FUEL CELL STACK)를 거쳐 열분해 화합 시 전기화학반응에 의해 기전력을 발생시켜 개질기와 교류변환기를 통해 에너지를 만드는 형태이다. 전해질의 종류에 따라 1) 고분자 전해질형, 2) 인산형 연료전지, 3) 직접 메탄올 연료전지, 4) 고체산화물 연료전지 별로 연구되고 있다.
인산형 연료전지는 한국에너지기술연구소, LG-Caltex 공동연구로 실용화에 근접한 기술로서 가정과 소형단위인 것으로 연료 화학에네지를 전기화학반응에 의해 직접 발전하는 타입으로 에너지 절약, 공해저감대책 기수로서 국내외 연구가 급속도로 진전되고 있는 신기술이다.
고분자연료전지 엔진개발, 용융탄산형 연료전지 시스템은 KIST, 한국중공업이공동연구를 수행하고 있다. 또한 귀 금속 전극촉매의 제조, 이온 교환막의 성능 향상, 전기 화학적 특성을 개선하여 기전력과 저장효과를 증진시키는 신소재 재료금속학적 연구가 병행되고 있다. 2005년까지 주택용 소형연료전지시스템의 상용화가 진행 중이다.
일반적 전해질의 유형에 따른 전극과 용도에 따른 연료전지 유형은 아래와 같다.
구 분
알카리
인산형
용융탄산염
고체산화물
고체고분자물
전해질
KOH, NaOH
O-H3PO4
K2CO3-Li2CO3
ZrO2-Y2O3
ZrO2-CaO
불소슬폰화
음이온 분리막
전 극
Pt,Pt=Au 합금
Pt
Ni,NiO
NaO-ZrO3-La
0.9Sr0.3MnO3
Pt
용 도
우주선, 잠수함
소형전원
대규모발전
발전
자동차
그 중에서 니켈-금속수소화물전지 : Ni-MH는 기존의 니켈-카드뮴 전지에 카드뮴 음극을 수소저장합금으로 대체한 전기자동차용 등 새로운 무공해 전지로 검토 연구되고 있다.
6. 내가 해보고 싶은 연구
현재의 기존설비와 기술정도에 맞추어 화석원료위주의 1) 스팀의 분해, 2) 석탄가스화와 전기화학전이반응, 3) 전기전도성 맴브레인을 이용한 수소제조, 4) 천연가스의 열분해 등이 금세기 실용 수단으로 무시될 수는 없는 현실성을 재인식 할 수 있으나, 새로운 수소 제조연구는 열화학 사이클법, 광촉매 분해법, 생물학적 방법 등으로 발전되고 있으며 효과가 기대되는 방사선, Plasma, Solarp hotovoltaic-water의 고부가가치 공정에 대한 연구를 해보고 싶다.

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