• Korean Chemical Engineering Research
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• 제49권6호
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• pp.688-696
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• 2011

수소는 에너지를 방출하는 과정에서 부산물로 물만 배출하기 때문에 지속가능한 청정에너지원 중의 하나이다. 현재 세계적으로 사용되는 수소는 대부분 화석연료의 개질에 의해 생산되고 있으며 1kg 수소를 생산하는 과정에서 7kg 이상의 이산화탄소를 배출하고 있다. 수소를 생산하는 과정에서 투입되는 에너지와 자원이 지속가능하고 재생 가능해야 수소를 청정에너지원이라 할 수 있다. 바이오매스는 화석연료를 대체할 수 있는 에너지원중의 하나인데, 그 이유는 바이오매스로부터 수소를 생산할 수 있으며 수소생산과정에서 발생하는 이산화탄소는 바이오매스 생산과정에서 소비되기 때문에 이론적으로 이산화탄소를 발생시키지 않는 에너지원이다. 태양에너지와 물로부터 수소를 생산하는 기술은 지구상에 널려있는 자연에너지와 물을 사용하기 때문에 인류가 직면한 에너지와 환경문제를 해결하기 위한 가장 이상적인 기술 중의 하나이다.

• 대한기계학회:학술대회논문집
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• 대한기계학회 2008년도 추계학술대회B
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• pp.2144-2148
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• 2008

Kerosene-driven solid oxide fuel cell (SOFC) system with reformer, desulfurizer and after-burner was mainly developed for this study. Originally the system was developed for 1kW class SOFC system for residential power generation (RPG) application. As a preliminary study of 1kW class SOFC system operation, a short stack was applied to the system. The short stack consists of 7 cells of $10cm{\times}10cm$ area and was operated at $720^{\circ}C$. The effect of anode inlet gas composition to stack performance was investigated. Firstly, I-V characteristics of SOFC with different fuel of kerosene and hydrogen were studied. Secondly $CH_4$ internal reforming was performed at various anode inlet gas compositions of $H_2$, $CH_4$ and $H_2O$. Through these experiments the effects of each anode inlet gas component to stack performance were analyzed and the significant operating parameters were iscussed.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제21권5호
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• pp.419-424
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• 2010

The 125kW external reforming (ER) type molten carbonate fuel cell (MCFC) system for developing a commercial prototype has been operated at Boryeong thermal power plant site since the end of 2009. The system consists of 125kW stack with $10,000 cm^2$ effective area, mechanical balance of plant (MBOP) with anode recycle system, and electrical balance of plant (EBOP). The 125kW MCFC stack installed in December, 2009 has been operated from January, 2010 after 20 days pre-treatment. The stack open circuit voltage (OCV) was 214V at initial load operation, which approaches the thermodynamically theoretical voltage. The stack voltage remained stable range from 160V to 180V at the maximum generating power of 120 kW DC. The stack has been operated for 3,270 hours and operated at rated power for 1,200 hours.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제27권5호
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• pp.485-493
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• 2016

Recently submarine and unmanned underwater vehicle (UUV) are equipped with a fuel cell system as an air independent propulsion system. Methanol fuel processor can efficiently supply the hydrogen to the fuel cell system to improve the ability to dive. This study investigated the optimal conditions of the methanol fuel processor that may be used in the closed environment. For this purpose, the numerical model based on Gibbs minimization equation was established for steam reformer and three exhaust gas burners. After simulating the characteristics of steam reformer according to the steam-to-carbon ratio (SCR) and the pressure change, the SCR condition was able to narrow down to 1.1 to 1.5. Considering water consumption and the amount of heat recovered from three burners, the optimum condition of the SCR can be determined to be 1.5. Nevertheless, the additional heat supply is required to satisfy the heat balance of the methanol fuel processor in the SCR=1.5. In other to obtain additional amount of heat, the combustion of methanol is better than the increased of SCR in terms of system design.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제27권5호
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• pp.526-532
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• 2016

In this study, we synthesized a mediator immobilized biocatalyst([FCA/GOx]/PEI/CNT) by surface modification using ferrocene carboxylic acid(FCA), and evaluated its performance as anode catalyst for biofuel cell. Through the application of FCA on glucose oxidase (GOx), the free amine groups on the lysine residue of GOx surface reacted with carboxylic acid of FCA and make amide bond between GOx and FCA. As the result of that, the electron transfer of catalyst was increased up to 1.91 times($0.468mA{\cdot}cm^{-2}$) than the catalyst without surface modification (GOx/PEI/CNT), and high maxium power density of $1.79mA{\cdot}cm^{-2}$ was gained.

• 공업화학전망
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• 제24권1호
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• pp.14-24
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• 2021

최근 전 세계적으로 이산화탄소를 포함한 대기 오염원의 배출을 줄이고 화석연료를 대체할 수 있는 차세대 청정에너지원으로 '수소'를 주목하고 있다. 하지만 현재까지 사회에 유통되는 대부분의 수소는 화석연료 개질을 기반으로 생산되기 때문에 2차 환경오염의 위험을 가지고 있다. 이에 이산화탄소 배출이 없이 태양에너지로부터 물을 분해해 수소를 생산하는 광전기화학 수소 생산 기술이 주목받고 있다. 단 광전기화학 물분해 수소생산을 실현하기 위해서는 수소를 충분히 생산시킬 수 있는 충분한 전류밀도, 과전압을 최소화하는 높은 개시전위, 및 그 생산비용을 최소화 할 수 있는 저렴한 공정 등을 동시에 만족시킬 수 있는 광전극 소재 개발이 필요하다. 최근 광소자용 소재로 각광을 받는 유기금속 할라이드 페로브스카이트 소재가 상기의 조건들을 상당히 만족할 것으로 기대되고 있어 광전기화학 물분해 셀로 적용되는 연구들이 수행되고 있다. 본 기고문에서는 유기금속 할라이드 페로브스카이트 소재기반 광전기화학 물분해 관련 최신 연구동향과 전망을 다루고자 한다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제33권4호
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• pp.363-371
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• 2022

In this study, the operation characteristics of the internal reforming type molten carbonate fuel cell (MCFC) were studied using computational fluid dynamics (CFD) analysis according to the steam to carbon ratio (S/C ratio), operating temperature, and gas utilization. From the simulation results, the distribution of gas composition due to the electrochemical reaction and the reforming reaction was predicted. The internal reforming type showed a lower temperature difference than the external reforming type MCFC. As the operating temperature decreased, less hydrogen was produced and the performance of the fuel cell also decreased. As the gas utilization rate decreased, more gas was injected into the same reaction area, and thus the performance of the fuel cell increased.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.135.1-135.1
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• 2010

최근 고온에서 사용 가능한 PEMFC용 고분자전해질 막 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. PEMFC가 고온에서 작동하게 되면 높은 성능과 많은 장점을 갖게 된다. PEMFC를 $100^{\circ}C$ 이상에서 운전하게 될 경우 백금 전극 반응을 향상시켜 고가의 백금 촉매 양을 줄일 수 있게 되고, 수소연료 속에 미량 포함된 CO에 의한 촉매표면 피독현상에 대한 내구성을 높일 수 있어 저 순도 수소연료 사용이 가능해 진다. 또한 가습장치와 수소 연료 개질장치의 부피를 줄일 수 있게 되어 전체적인 PEMFC 시스템이 단순화 된다. 현재 연료전지용 고분자 전해질막으로 DuPont사의 과-불소계 고분자 전해질막인 Nafion$^{(R)}$이 가장 널리 사용되고 있다. Nafion$^{(R)}$은 유연한 분자구조 안에 소수성이 강한 주사슬과 친수성을 나타내는 술폰산이 결합된 곁사슬이 존재하여 술폰화 곁사슬의 클러스터 둘레에는 친수성 영역이 형성이 되기때문에 소수/친수 상 분리가 잘되어 이온 클러스터 형성이 용이하지만 제조비용이 높은 단점을 갖고 있다. 특히, 전해질 막내에서 Bronsted base 역할을 하는 물에 의해 이온전도가 이루어지기 때문에 고온에서는 수분증발로 인해 성능이 급격히 감소된다. 따라서, 본 연구에서는 고온 저가습 조건에서 운전이 가능하고 Nafion이 갖는 문제점을 해결하고자, 내열특성이 뛰어나며 높은 수소이온 전도도 학보가 용이한 Sulfonated Poly(aryl ether)sulfone(SPAES) 고분자 전해질에, 고온에서도 수화성이 유지될 수 있도록 지르코니아를 황산화한 sulfated zirconia(s-$ZrO_2$)를 함침하여 복합 고분자전해질막을 제조하여 고온 저가습 조건에서의 수소이온 전도 특성에 관한 연구를 수행하였다. 개발된 막의 물리/화학적 특성은 water content(Wup%), 이온교환 용량(IEC, meq $g^{-1}$), 수소이온전도도(s $cm^{-1}$) 열 중량 분석(TGA), X선 회절분석(XRD) 등을 통하여 분석 및 관찰하였다. 내화학 및 열적 특성분석 결과, 황산화 반응공정으로 $ZrO_2$에 술폰산기가 안정적으로 결합하고 있음이 관찰되었으며, 본 연구에서 개발된 유 무기 복합막이 $250^{\circ}C$이상 열적안정성을 확보하고 있는 것으로 판단되었다. $100^{\circ}C$ 이하의 저온 영역에서, 일정 비율의 s-$ZrO_2$/SPAES막에서 이온교환용량(IEC)이 순수 SPAES 막보다 낮음에도 불구하고, water uptake가 증가함과 동시에 수소이온 전도도가 향상된 것을 관찰하였다. 또한, 고온에서는 수소이온이 자유롭게 이동할 수 있는 water channel을 형성하는 free water는 증발 하지만 s-$ZrO_2$와 SPAES의 술폰산기 사이에 강력하게 결합하고 있는 bound Water는 $100^{\circ}C$ 이상의 고온 영역에서도 존재하여, 비록 무가습 조건에서도 일정 비율의 s-$ZrO_2$/SPAES50 전해질 막의 경우, 높은 전도도를 나타냄을 관찰할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통해 저가습 고온 적용을 목적으로 개발된 s-$ZrO_2$/SPAES50막은 우수한 내열 특성을 나타냄과 동시에 저가습 고온 영역($120^{\circ}C$, $50RH{\downarrow}$)에서 높은 수소이온 전도도를 유지하여, 고온 저가습 연료전지 운전에 적합할 것으로 사료된다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제56권4호
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• pp.496-523
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• 2018

본 연구의 목표는 톱밥의 건조, 급속열분해, 바이오오일 응축, 바이오오일 수첨개질, 전기생산, 폐수처리를 포함하는 2개의 바이오오일 생산공정들에 대한 경제적 타당성을 평가하는 것이다. 첫번째 공정은 수소생산을 위한 steam-methane reforming (SMR)을 포함하는 바이오오일 생산공정이다(Case 1). 두번째 공정은 SMR을 포함하지 않고 수소를 외부로부터 공급받아 수첨개질을 수행하는 바이오오일 생산공정이다(Case 2). 상용공정모사기인 ASPEN Plus를 이용하여 이두 공정에 대한 공정흐름도를 구축하였고, 물질 및 에너지 수지식을 계산하였다. 원료로서 40%의 수분을 포함하는 톱밥 100 t/d, 30% 자기자본비율, 자기자본에 상응하는 자본지출, 수소 구입가 $1,050/ton, 완전건조된 원료대비 수송용 연료 수율 20% (Case 1) 및 25% (Case 2) 로 가정하고, 4단계 경제성 분석기법인 4-level EP를 사용하여 기술경제성 분석을 수행하였다. 총투자비(TCI), 총생산비(TPC), 연간판매금액(ASR), 그리고 개질 바이오오일의 최소판매가격(MFSP)은 Case 1에 대하여 $22.2 million, $3.98 million/yr, $4.64 million/yr, 그리고 $1.56/l 이고, Case 2에 대하여 $16.1 million, $5.20 million/yr, $5.55 million/yr, $1.18/l로 산출되었다. 수소를 직접 생산하는 Case 1과 수소를 외부로 부터 공급받는 Case 2의 투자회수율(ROI)와 투자회수기간(PBP)은 큰 차이를 보여주지 않았고, Case 1과 Case 2의 원료 공급량을 1,500 t/d로 증가할 경우, ROI는 15% 이상으로 향상될 것으로 예상되었다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제17권3호
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• pp.293-300
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• 2006

KIER has been developing a Ru-based preferential oxidation catalysts and a novel fuel processing system to provide hydrogen rich gas to residential PEMFCs system. The catalytic activity of Ru-based catalysts was investigated at different Ru loading amount and different support structure. The obtained result indicated that 2 wt% loaded Ru-based catalyst supported on ${\alpha}-Al_2O_3$ showed high activity in low temperature range and suppressed the methanation reaction. The developed prototype fuel processor showed thermal efficiency of 78% as a HHV basis with methane conversion of 92%. CO concentration below 10 ppm in the produced gas is achieved with separate preferential oxidation unit under the condition of $[O_2]/[CO]=2.0$. The partial load operation have been carried out to test the performance of fuel processor from 40% to 80% load, showing stable methane conversion and CO concentration below 10 ppm. The durability test for the daily start-stop and 8 h operation procedure is under investigation and shows no deterioration of its performance after 50 start-stop cycles. In addition to the system design and development.