Global sustainable energy needs and carbon neutrality goals make hydrogen a key future energy source. South Korea and Japan lead with proactive hydrogen policies, including South Korea's Hydrogen Law and Japan's strategy updates aiming for a hydrogen-centric society by 2050. A notable advance is the solar thermal chemical water-splitting cycle for green hydrogen production, spotlighted by Korea Institute of Energy Research (KIER) and Niigata University's joint initiative. This method uses solar energy to split water into hydrogen and oxygen, offering a carbon-neutral hydrogen production route. The study focuses on international collaboration in solar energy for thermochemical water-splitting and E-fuel production, highlighting breakthroughs in catalyst and reactor design to enhance solar thermal technology's commercial viability for sustainable fuel production. Collaborations, like ARENA in Australia, target global carbon emission reduction and energy system sustainability, contributing to a cleaner, sustainable energy future.
Zhao, Jian Feng;Liang, Yi Fan;Liang, Qian Chaos;Li, Meng Jie;Hu, Jin Yi
Journal of Electrochemical Science and Technology
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제13권1호
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pp.63-70
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2022
Compared with hydrogen, ammonia has the advantages of high gravimetric hydrogen densities (17.8 wt.%), ease of storage and transportation as a chemical hydrogen storage medium, while its application in small-scale on-site hydrogen production scenarios is limited by the need for complex separation equipment during high purity hydrogen production. Therefore, the study of PEMFC, which can directly utilize ammonia decomposition gas, can greatly expand the application of fuel cells. In this paper, the output characteristics, fuel efficiency and the variation trend of hydrogen concentration and local current density in the anode channel of fuel cell with the output voltage of PEMFC fueled by ammonia decomposition gas were studied by experiment and simulation. The results indicate that the maximum output power of the hybrid fuel decreases by 9.6% compared with that of the pure hydrogen fuel at the same inlet hydrogen equivalent. When the molar concentration of hydrogen in the anode channel is less than 0.12, the output characteristics of PEMFC will be seriously affected. Employing ammonia decomposition gas as fuel, the efficiency corresponding to the maximum output power of PEMFC is approximately 47%, which is 10% lower than the maximum efficiency of pure hydrogen.
The production of hydrogen fuel depends basically on the water electrolysis. The study on the decrease of overpotential which activates the hydrogen production is the core to elevate the hydrogen production efficiency on principle. Characteristics on the overpotential decrease are observed through the micro reaction by ultrasonic in electrolytic cell. For the above, the electrochemical analyzer, i.e., BAS is applied, Experiments with ultrasonic forcing into 4 kinds of solution such as city water, city water plus nitrogen. distilled water, and distilled water plus nitrogen are carried out. And concentrations of KOH are 0%, 10%, 20% and 30%. The basic characteristics of the overpotential decrease are obtained through the analysis by LSV technique in sweep technique. In results, it is clarified that the ultrasonic influences the decrease of overpotential to obtain the efficiency elevation of hydrogen fuel production.
The production of hydrogen fuel depends basically on the water electrolysis. The ultrasonic effects the decrease of the overpotential in a water electrolysis. A study on the overpotential which activates the hydrogen production is the core to elevate the hydrogen production efficiency on the principle. A pressure sensor system by a new idea is developed and applied. Solutions are 4 kinds of KOH concentration such as 0%, 10%, 20%, and 30%. Two frequency bands of the ultrasonic transducer are 28kHz and 2MHz. The directions of ultrasonic forcing are the vertical direction and the horizontal direction. The temperatures are two states, i.e., no constant and constant. Experiments are carried out sequentially in order in three cases of no ultrasonic forcing, ultrasonic forcing, and ultrasonic discontinution. In results, it is clarified that the ultrasonic effects the decrease of overpotential to elevate the efficiency of hydrogen production.
Hydrogen could be produced from any substance containing hydrogen atoms, such as water, hydrocarbon (HC) fuels, acids or bases. Hydrocarbon fuels couold be converted to hydrogen-rich gas through reforming process for hydrogen production. Even though fuel cell have high efficiency with pure hydrogen from gas tank, it is more beneficial to generate hydrogen from city gas (mainly methane) in residential application such as domestic or office environments. Thus hydrogen is generated by reforming process using hydrocarbon. Unfortunately, the reforming process for hydrogen production is accompanied with unavoidable impurities. Impurities such as CO, $CO_2$, $H_2S$, $NH_3$, and $CH_4$ in hydrogen could cause negative effects on fuel cell performance. Those effects are kinetic losses due to poisoning of electrode catalysts, ohmic losses due to proton conductivity reduction including membrane and catalyst ionomer layers, and mass transport losses due to degrading catalyst layer structure and hydrophobic property. Hydrogen produced from reformer eventually contains around 73% of $H_2$, 20% or less of $CO_2$, 5.8% of less of $N_2$, or 2% less of $CH_4$, and 10ppm or less of CO. Most impurities are removed using pressure swing adsorption (PSA) process to get high purity hydrogen. However, high purity hydrogen production requires high operation cost of reforming process. The effect of carbon dioxide on fuel cell performance was investigated in this experiment. The performance of PEM fuel cell was investigated using current vs. potential experiment, long run (10 hr) test, and electrochemical impedance measurement when the concentrations of carbon dioxide were 10%, 20% and 30%. Also, the concentration of impurity supplied to the fuel cell was verified by gas chromatography (GC).
수소에너지는 기존의 석유화학공업의 원료로서 뿐만 아니라 연료전지와 연계하여 소요량이 급속히 증가할 것으로 예측된다. 장기적으로는 재생에너지를 사용한 물 전기분해, 원자력을 이용한 수소 제조가 주목받고 있지만, 안정된 기술이 확보되기까지는 화석연료를 사용한 수소 제조법이 대용량 수소 제조법 중 가장 경제적인 것으로 분석되고 있다. 현재 화석 연료 중 천연가스를 이용한 수증기 개질 수소 제조법이 상업적인 공정으로 채택되고 있으나 $CO_2$ 분리 처리 비용이 경제성 평가에 중요한 항목으로 부각되고 있다. 따라서 천연가스를 이용한 수소 제조에도 다양한 공정이 제안되고 있으므로 천연가스를 원료로 한 수소 제조 기술의 개발 현황을 살펴보았다.
DME(Dimethyl Ether) was directly produced from the synthesis gas using the slurry phase reactor. The catalyst for DME production prepared two types (A type; Cu:Zn:Al=57:33:10, B type; Cu:Zn:Al=40:45:15, molar ratio). It was evaluated for the effect of the reaction medium oil using the small size slurry phase reactor. DME production yield and the methanol selectivity decreased in the order: n-hexadecane oil> mineral oil> therminol oil. The long-term test of DME production was carried out using A and B type catalyst, and n-hexadecane oil and mineral oil, respectively. It was confirmed that the use of A type for the catalyst and n-hexadecane for the reaction medium oil was very useful for the viewpoint of the DME production form the synthesis gas.
A fuel handling process combined with a pressure swing adsorption system (PSA) was simulated to produce pure hydrogen with a purity greater than 99.97%. The simulation consists of two parts. The fuel processing part consisting of reformer and water-gas shift reaction was simulated with Aspen plus®, and the hydrogen purification part consisting of PSA was simulated with Aspen Adsorption®. In this study, the effect of reformer temperature and pressure on the total hydrogen production yield was investigated. Simulations were performed over a temperature range of 700 to 1,000℃ and a pressure range of 1 to 10 bar. The total hydrogen production yield increased with increasing temperature and decreasing pressure. The maximum hydrogen yield was less than 50% in the simulation and will be lower in the real process.
Fuel cell technology is the most representative area of alternative energy field on vehicle industry according to the limitation of petroleum resources. In recent years, the technology of fuel cell vehicles has made rapid progress, Hyundai Motor Company (HMC) reached to mass production of the Tucson ix hydrogen fuel cell vehicles first in the world. In addition, HMC is accelerating the development of hydrogen fuel cell buses, which have a number of advantages for hydrogen infrastructure and mass transport personnel. In this study, we examined potential of the commercialization through the demonstration of hydrogen fuel cell buses. As a result, we identified that the mass-production possibility of FCB has high potential and HMC's technology will lead to fuel cell bus industry.
In this study, it achieved life cycle assessment to estimate environmental performance for naphtha steam reforming that account for the production over 50% of total hydrogen output. Although hydrogen dosen't emit air emissions, especially, $CO_2$, a large of $CO_2$ is emitted in hydrogen production process. In the result of this study, it ascertained the truth that $CO_2$ is emitted at the rate of $6.3kg/kgH_2$ and that result from steam reforming reaction and use of fossil fuel in hydrogen manufacturing process. Above all, 57% of total $CO_2$ emissions is emitted in process of steam reforming of naphtha and so it knew that the principle of steam reforming is key issue in aspect to environment. Also, it compared hydrogen by fuel of fuel cell vehicle with gasoline fuel of general gasoline vehicle to analyze relative environment of hydrogen for fossil fuel during the life cycle. As the result, it might be difficult in improvement of environment because $CO_2$ emissions during the hydrogen manufacturing process is nearly the same with that during the use of gasoline.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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