R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202121CTAP-C157653-02 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 수소연료전지 하이브리드 철도차량 내 수소 누출 안전 확보를 위한 수소 제거 촉매 시스템 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2020-04-13 ~ 2021-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 이상문 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
9명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 210,000,000 원 기업 : 70,000,000 원 계 : 280,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 360,000,000 원 기업 : 110,000,000 원 계 : 470,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 경기대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-B5529894-000518-01 | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 국내 수소 연료전지 열차 개발 및 상용화 연구에 따른 기대가 증가하고 있음. 또한 연료전지 후단 수소농도가 매우 낮게 배출될 수 있는 연료전지 개발이 계속적으로 이루어지고 있으나, 연료전지 후단 또는 전체 시스템 내 비상사고 발생시 수소 누출 및 순간적인 농축 폭발사고가 발생할 수 있음. 따라서 연료전지의 미반응 수소 및 사고발생시 발생한 수소를 안정적으로 산화시키는 촉매 기술 개발이 필요함. ○ 이에 따라 연료전지 내부 미반응 수소 저감 및 위급상황시 급격하게 변화되는 수소 농축을 대비하여, 수소를 직접 제거하는 촉매산화 기술 개발이 필요함. 이때 수소 산화촉매 기술은 원자력 발전소에서 사용되는 PAR 촉매와 같이 상온에서 수소를 산소와 반응시켜 물로 전환하는 기술이며, 촉매 구동에 필요한 열 또는 빛 에너지가 필요 없는 상온 구동형 촉매임. 따라서 해당 기술개발을 통해 근원적으로 수소 폭발 사고를 예방할 수 있는 안전기술을 확보할 수 있고, 장치 추가에 따른 운전비용 증가도 크지 않을 것으로 예상됨. 또한 본 개발기술의 적용환경은 연료전지와 수소 탱크 및 연결 파이프라인 전체를 포함할 수 있음. ○ 또한 해당 촉매의 수소 산화반응은 높은 발열량에 의해 고온의 가스를 배출하게 됨. 본 기술에서는 열 교환기를 통해 이를 회수하여 폐열을 에너지원으로 이용하는 방안을 제시하고자 함. ○ 따라서 본 연구팀은 연료전지의 미반응 수소 및 사고발생시 발생한 수소를 안정적으로 산화시키는 촉매를 개발하고 폐열 회수 및 이를 활용하는 열 교환 시스템을 적용한 촉매시스템을 개발하고자 함. [최종목표] ○수소 산화촉매 제조기술 및 촉매-열 회수 통합시스템 1. 수소 산화촉매(소재): 별도의 에너지 없이 구동 가능한 촉매이며, 상온에서 수소 산화반응을 통해 연료전지 내 미반응 수소 제어 2. 수소열차 내 연료전지 유동흐름 분석을 통한 최적시스템(시스템) 3. 폐열 회수 및 에너지 활용 방안 및 90% 이상/폐열 회수율 60% 이상(시스템): 수소 산화반응에 의한 발열량을 회수하여, 열차 내？외부적으로 폐열을 활용하는 방안 제시 [연구내용 및 범위] 본 과제의 연구내용은 "수소연료전지 하이브리드 철도차량 내 수소 누출 안전 확보를 위한 수소 제거 촉매 시스템"을 개발하는 것이며 세부적으로 기관별 연구내용은 아래와 같음. 세부적 연구 목표 및 내용 ○ 미반응 수소의 안정적 처리를 위한 상온산화촉매 개발 및 성능증진 연구 ○ 자발적 수소 촉매산화반응을 이용한 1%이하 수소 제거 및 조업조건 최적화 ○ 연료전지 내 미반응 수소 배출환경 조사 및 검토 ○ 수소 산화촉매 운영조건 핵심인자 도출 및 최적화 ○ 제조된 촉매(powder)의 모듈화를 위한 촉매 구조체 및 코팅 방법 최적화 ○ 수소의 촉매산화반응 중 발생한 발열량(열에너지) 회수 및 폐열 활용 시스템 검토 연구 범위 - 주관연구기관(경기대학교 산학협력단) ○ 수소 산화촉매 제조방법 적용 및 물리화학적 특성 분석 - 촉매표면 활성금속의 물리화학적 특성(valance state, electron density, bimetal) 연구 - 촉매 제조방법이 수소 상온 산화촉매 성능에 미치는 영향 평가 - Pd, Pt 등 귀금속 함량별 성능 비교를 통한 최적 함량 도출 - 참여기관 1(한국철도기술연구원) ○ 시스템 설계 인자 도출을 위한 기초 조사 - 수소 제거 촉매 시스템 설치공간 확보를 위한 수소연료전지 하이브리드 철도차량 내？외부 환경 검토 - 수소연료전지 하이브리드 철도차량 내 수소 제거 촉매-열회수 시스템 설계 요구사양 분석 및 도출 - 참여기관 2((주) 애니텍) ○ 폐열 회수를 위한 열 교환기 조사 - 연료전지 적용을 위한 열 교환기 종류, 재질 등 확인 - 주관연구기관(경기대학교 산학협력단) ○ 수소 산화촉매 성능 증진을 위한 promoter 첨가 연구 - CeO2, La2O3, SiO2 등 다양한 promoter 첨가에 의한 성능 증진 연구 - Promoter 최적 함량 및 반응특성 분석 ○ 촉매 설계 및 적용을 위한 모듈화 연구 - binder 종류 및 함량별 코팅 촉매의 성능 평가 - 최적 코팅법을 바탕으로 다양한 구조체 적용 평가 - 참여기관 1(한국철도기술연구원) ○ 시스템 적용방안 제시 - 수소연료전지 하이브리드 철도차량 내 수소 제거 촉매 시스템 적용방안 도출 - 수소 제거 촉매-열회수 시스템 실용화를 위한 관련 제도 검토 및 성능시험 절차 마련 - 참여기관 2((주) 애니텍) ○ 연료전지-열 교환기 연계 연구 - lab scale 규모 폐열회수 시스템 구축 - 다양한 조업조건에 따른 폐열회수 시스템 효율 평가 |
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| 색인어 | 한글 | 수소열차 | 연료전지 | 촉매 | 수소안전 | 폐열 |
| 영문 | Hydrail | Fuel cell | Catalyst | Hydrogen safety | Waste heat | |
| 최종보고서 | (재)승인파일_최종보고서(기반연구)_KGU 최종.pdf | |||||