수소는 친환경 에너지원으로 주목 받고 있으며 미래 화석연료의 고갈에 대비할 수 있는 물질이다. 수전해는 natural gas steam reforming 또는 coal gasification 같은 방법에 비해 공해 물질의 방출이 없어 미래지향적인 기술로 간주된다. 저온형 수전해는 크게 알칼리 수전해와 고분자 전해질막 수전해로 구분되며 각각의 기술은 장단점을 가지고 있다. 알칼리 수전해는 비백금계 물질을 촉매로 사용할 수 있는 이점이 있으나 알칼리 용액으로 인한 부식, 높은 과전압에 의한 효율저하 그리고 간헐적인 사용에 적합하지 않다. 고분자 전해질막 수전해는 간헐적인 사용이 용이하고 높은 에너지 밀도를 가지지만 산성분위기로 인한 백금계 촉매를 사용해야 하므로 수소 생산 비용이 증가하게 된다. 본 연구에서는 알칼리 수전해와 고분자 전해질막 수전해 방식의 이점을 최대한 이용하고 단점을 극복하기 위한 방법으로 음이온 교환막(anion exchange membrane, AEM)을 적용한 셀 구조를 소개한다. 본문에서는 AEM 수전해 단위 셀의 구성요소들인 AEM 종류, 가스 확산층의 밀도와 운전조건인 알칼리 수용액 농도, 온도의 조건을 다르게 하여 최상의 구성 요소 조건 및 운전조건을 알아보았다.
본 논문에서는 회전체에 붙어있는 센서에 전원을 공급하기 위하여 전자기 공진형 무선전력전송을 사용하고 있다. 회전체는 철제 스핀들로 만들어 졌으며, 스핀들 표면에 수전기를 부착하여 무선전력을 수전하고 있다. 송전기에 무선전력을 송전하고 수전기에서 전력을 수전하고자 할 때, 철제 스핀들 때문에 전력 전달효율이 감소된다. 따라서 최적의 전력전달 조건을 찾아 송전기와 수전기의 위치 및 크기를 설계하여야 한다. 본 논문에서는 송전기의 위치를 변화시키고, 수전기의 각도를 변화시키면서 송 수전기 간의 전력전달 특성을 연구하였다.
화석연료의 과도한 사용으로 유발된 기후변화 문제를 해결하기 위해 대체에너지의 개발에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 재생가능하며 친환경적인 수소에너지가 실현가능한 궁극적 대안으로 주목받고 있다. 다양한 수소 생산 기술 중 물의 전기분해를 이용한 수전해 기술은 온실가스와 같은 오염물질을 배출하지 않으며 재생에너지와 연계하여 미이용 전력을 대용량 장주기로 저장할 수 있다는 장점이 있다. 수전해 장치는 수소와 산소를 발생하는 전극과 기체의 섞임을 방지하고 이온을 전달하는 분리막으로 구성되며 그 중 분리막은 수전해 장치의 효율과 안정성을 결정짓는 핵심 부품이다. 본 총설에서는 수전해 기술 중 저온 수전해에 해당하는 알칼라인 수전해(alkaline water electrolysis), 고분자전해질막 수전해(polymer electrolyte membrane water electrolysis)와 음이온교환막 수전해(anion exchange membrane water electrolysis)에 사용되는 분리막에 대한 특성을 분석하고 최근 연구 동향에 대해서 다루고자 한다.
출수기전후 수도의 광합성능화과 생육상태의 차이가 건물생산과 수량구성요소에 미치는 영향을 구명하고 통일품종의 출수전 저장물질과 출수후 축적 물질이 현미수량을 구성함에 있어서 차지하는 의존도를 재배시기를 달리한 상태에서 조사한바 그 성적을 요약하면 다음과 같다. 1. 등숙기의 광합성능력은 품종간에 차이를 보여 광합성능력이 비교적 높은 품종군(만경, 농림 2002, 동산 38호 Kotominori)과 낮은 품종군(진흥 팔금 통일 금남풍)으로 구별되였으며 그중 진흥 Kotominori 양품종은 수전기에서 유숙기에걸쳐 광합성능력의 저하가 심하였으며 시비법의 차이에 의한 광합성능력의 변동도 큰편이였다. 2. 출수후 광합성능력과 엽신질소함량및 엽중비율(엽신건물중/전건물중)간에는 정의 상관이 인정되었으며 일본품종은 한국 품종에 비하여 그들간의 상관이 더욱 높고 엽신질소함량도 높았다. 3. 수전기로부터 유숙기까지의 근활력소장은 광합성능력 단백태질소함량과도 상호밀접하게 관계하여 수전기에서 유숙기에 걸쳐 근의 산화력이 높은 것은 이삭의 건물증가량을 많게하고 최종적으로는 수량에도 영향하는 것으로 추찰되였다. 4. 공시품종들의 출수전저장탄수화물량과 출수후 탄수화물생산량에 의한 현미구성비율은 출수전 저장 탄수화물에 의존도가 15~26%에 불과하고 나머지 74~85는 출수후 탄수화물 생산량에 의존하고 있다. 5. 수전기의 엽신질소함량과 주당 영화수와의 관계를보면 한국품종군과 일본품종군간에는 2계열의 정의 상관이 인정되었고 시비법 차이에 의한 $\textrm{m}^2$당 영화수는 한국품종군에서는 후기중점 시비구가 일본품종군에서는 기비중점 시비구가 많은 결과를 보여주었다. 6. 출수기를 전후한 건물중과 엽면적은 이앙기가 빠를수록 높은 수치를 보였으며 엽면적 엽량 공히 출수전 3주간에 있어서는 건물증가율과 정의 상관이 인정되여 동기간에 있어서의 건물증가율의 차이는 엽면적의 차에 의하여 직접규제되나 출수후등숙에 접어들면서 엽면적의 직접적인 지배성은 점차로 소실되어 감을 알수 있었다. 7. 현미구성에 있어 출수전 저장동화물질과 출수후 생산된 동화물질에 의존비율은 이앙기가 빠를수록 그리고 엽신 N함량이 많을수록 출수전 저장동화물질에 의존도가 높아 재배시기이동에 의한 환경조건변화로 통일품종의 등숙향상과 수량증대가 가능함을 뒷받침하여 주었다. 8. 8월 17일 출수기를 중심으로 그이전에 출수한 구에서는 저장기간중 일사량 및 일조시간이 많고 평균기온도 높은 양호한 기상조건하에서 경과하게되여 현미구성에 있어 출수전 저장동화물질에 의존도를 높일수 있었다고 본다. 9. 이상의 출수전후 집적량과 기상환경과의 상관을 맺어본 결과 출수전 동화물질 저장량과 출수전 3주간의 평균일사량 일조시수 평균기온과는 고도의 정의 상관이 있었다.
수전 설비 시스템은 전력 회사에서 3 상 전원을 받는 설비로, 전기를 공급받기 위한 설비이다. 정전이나 제품생산설비의 중단은 기업에 있어서는 경제적 손실이 매우 큰 사고일 수 밖에 없다. 요즘은 IoT 센서를 이용한 수전설비 관리 시스템의 활용이 늘어나고 있는 추세이다. IoT 센서를 이용한 수전 설비의 구축에서 정확한 상태 값의 센싱과 수집된 값의 전송, 그리고 정확성 판단에 대한 이슈들이 고려되어야 하며, 또한 기기간 통신을 통해 실시간 상호작용으로 수전설비의 고장을 어떻게 예방할 것인가에 대한 것이 중요하다. 본 연구에서는 수전 설비의 실시간 감지와 모니터링을 위한 목적으로 기존의 고장 및 오류 정보를 기반으로 하는 빅데이터 분석을 통해 발생 가능한 고장 및 오류를 사전 예측할 수 있도록 정보를 제공하는 것에 주안점을 두었다.
최근 잇따라 발생하고 있는 이상 기후로 탄소 중립에 대한 관심이 높아지고 있다. 우리나라 정부도 신재생에너지 중심의 에너지 전환과 수소 경제 활성화에 대한 정책을 연일 발표하면서 많은 국책 과제들이 추진되고 있다. 잉여 재생에너지를 수소 가스로 변환하여 저장했다가 필요할 때 다시 전기로 사용하거나, 수소 가스 자체를 타 산업에 활용할 수 있게 해주는 핵심 기술이 수전해 기술이다. 다양한 수전해 기술 중에 PEM 수전해 기술은 재생에너지의 빠른 변동에 신속하게 대응할 수 있어 재생에너지 확산과 더불어 최근 높은 관심을 받고 있는 기술이다. 그러나 비싼 촉매와 내부식성이 필요한 핵심 부품들이 국산화 되어 있지 않아 장치의 가격이 높은 상황이다. 그에 따라 아직은 수전해를 통해 생산된 수소 단가가 다른 기술을 통해 생산된 수소들 보다 가격이 높아 상업화가 더디게 진행되고 있다. 그러나 정밀 가공, 열처리, 코팅 등의 뿌리 기술들을 이용하면 PEM 수전해기의 핵심 부품인 bipolar plate나 end plate, 분리판 등을 국산화 하여 수소 생산 단가를 낮출 수 있는 여지는 충분하다. 탄소 중립에 반드시 필요한 그린 수소가 가격 경쟁력을 확보할 수 있도록 산업간 기술 협력이 절실한 시점이다.
수전설비의 고장은 산업과 가정 등 전력을 사용하는 모든 곳에 정전사고를 발생시켜 많은 불편과 문제의 원인이 되고 있다. 수전설비 고장의 주요 원인으로는 노후화를 비롯하여 태풍, 지진을 비롯한 자연재해와 동물 등으로 파악되고 있다. 현재는 수전설비의 온도가 높아지면 고장이 발생한다는 추측만으로 온도의 고온이 지속되는 것을 모니터링한다. 따라서 적기에 수전설비의 고장에 대응하기 어려운 측면이 존재하는 것이 사실이다. 이 논문에서 제안하는 수전설비 모니터링 시스템은 갑작스런 자연재해 등으로 인한 고장을 제외한 일반적인 고장에 대해 효율적으로 대응하는 방안으로 제안한다. 수전설비 모니터링 시스템은 열 감지 센서를 부착하여 수전설비를 실시간으로 감시하고, 감시한 데이터를 수집하여 인공신경망을 이용한 학습을 통해 축적된 정보를 이용하여 고장을 예측한다. 인공신경망의 학습과 실험을 통하여 제안 방식이 효율적임을 보였다.
재생에너지 자원이 풍부한 제주도에서 수전해 시스템을 활용하여 그린수소를 생산하는 실증단지를 준비 중이며, 수전해 시스템의 장기 운영시 상황을 검토하기 위하여, PEM 수전해 셀을 가속시험평가 하여 수전해 셀의 내구성을 검토하였고, 제주도 풍력기반의 전력패턴을 적용하였을 때 수전해 셀의 내구성을 검토하였다. 가속시험평가 (저전류-고전류 반복 인가)를 800시간 진행한 후, PEM 수전해 셀의 성능이 최대 10%, 운전조건에서 5.5% 감소되었으며, 임피던스 분석결과 PEM 수전해 셀의 Ohmic 저항보다 전극의 분극저항이 크게 증가한 것을 확인할 수 있다. 그리고 제주도의 풍력패턴을 적용하여 내구성평가를 진행한 경우, PEM 수전해 셀의 성능이 최대 1.6%, 운전 조건에서 1% 미만의 성능감소를 보여주었으며, 임피던스 결과 Ohmic 저항 및 전극의 분극저항의 변화가 작은 것을 알 수 있다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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