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애정 운
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1 Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society( ), Vol. 26, No. 3, pp. 206~211 DOI: ISSN eissn 김보연 1 ㆍ김동진 1 ㆍ강은영 1 ㆍ김태완 1 ㆍ심희찬 1 ㆍ이택홍 2 1 ( 주 ) 지앤씨, 2 호서대학교화학공학과 Commercial Production for the Hydrogen Generation with Alkaline Electrode Cells BO YEON KIM 1, DONG JIN KIM 1, EUN YOUNG KANG 1, TAE WAN KIM 1, HUI CHAN SIM 1, TAECK HONG LEE 2 1 GnC.Ltd, Gomae-Dong Giheung-Gu Yongin-Si Gyeonggi-Do, , Korea 2 Chemical Engineering, Hoseo University, Sechul-ri, Baebang-eup, Asan-Si, Chungnam, 165, Korea Abstract >> For the hydrogen production, Gas Lab and Gnc make alkaline watrer electrolyzer and found optimized condition of experimental parameters of cell material and operating procedures. For the commercial production, we saved electric power consumption and caloric based efficiency with over 70%. Used cell pressures are 10 bar, 30 bar and consumed electricity is 4,000 A/m 2, 4.19 kw (T=100 C) at 10 bar. Another data is 2,000 A/m 2, 3.92 kw (T=95 C) at 30 bar. Applied voltage is 1.75 V (100 C, 10 bar), 1.64 V (95 C, 10 bar), 1.81 V (85 C, 30 bar), 1.76 V (95 C, 30 bar). As cell temperature increase, applied voltage has been decreased and current has been increased. The concentration of KOH solution is 30 weight %. Key words : Hydrogen( 수소 ), Electrode system for hydrogen generation( 수소발생장치 ), Membrane( 격막 ), Commercial production( 상용생산 ), Electric power( 전력 ) 1. 서론 최근수소에너지는공해물질이배출되지않는가장이상적인대체에너지로각광받고있다. 수소생산방법으로는크게탄화수소를사용하는방법과탄화수소를사용하지않는방법두가지로나눌수있다. 탄화수소를사용하는방법으로는 SMR (Steam Methane Reforming), POX (Partial OXidation), ATR (Auto-Thermal Reforming) 등이있으며, 탄화수 소를사용하지않는방법으로는생물학적, 광전기적, 열화학적, 물전기분해등이있다 1). 현재 SMR ( 천연가스개질법 ) 이주된생산방법이나 SMR법은환경오염의문제가있고천연가스의공급이제한적이며, 생산수소의순도가낮다. 수소의순도를확보하기위해추가정제법인 PSA (Pressure Swing Adoption) 가필수적으로필요하고이로인해비용이높아지는문제점들이있어감소하는추세이다. 탄화수소를사용하지않는방법중물전기분해 법은환경오염이적고효율이높아최근증가하고 Corresponding author : taecklee@hoseo.edu Received : in revised form : Accepted : Copyright c 2015 KHNES 있는추세이다. 또한전기분해법은가장오래된수소제조방법으로실용화된기술이며, 열량기준전체효 206

207 율이약 65% 내외로효율을더높이는방법에대한연구가활발히이루어지고있다. 물전기분해법의방법으로는 HTE (High Temperature Electrolysis) 법, PEM (Polymer Electrolyte Membrane) 수전해, Alkaline 수전해법이있다 2). HTE법은고온수증기를이용해물을전기분해하는방법이다.

2 207 율이약 65% 내외로효율을더높이는방법에대한연구가활발히이루어지고있다. 물전기분해법의방법으로는 HTE (High Temperature Electrolysis) 법, PEM (Polymer Electrolyte Membrane) 수전해, Alkaline 수전해법이있다 2). HTE법은고온수증기를이용해물을전기분해하는방법이다. 고체전해질을사용하여부식이없고, 전해액을보충할필요가없어서유지보수에유용하지만고온 (700 C 이상 ) 에서분해를하는방법이기에고체전해질은아직까지도기초연구단계에머물러있다. PEM 고압수전해방법은전해액대신순수한물을사용하는방법으로에너지효율이높고, 수소순도가높지만고분자분리막의가격이높고, 내구성이짧아설계비용도많이든다. Alkaline 수전해법은양극과음극사이에이온격막을삽입하고알칼리용액 (KOH, NaOH) 을주입하고양극에서일정한전압과전류를흐르게한다 3). 음극 (Cathode) : 2H 2O + 2e - 2OH - + H 2 양극 (Anode) : 2OH - H 2O + 2e - + 1/2O 2 Cell은 Fig. 1과같은구조로위의반응식은 Cell의 Membrane 에서일어나수소를발생시킨다. 전해액으로 20~40% 의 KOH, NaOH를사용하고, 기술적성숙도와신뢰도가높아현재실용화단계까지도달하였다. 알칼리용액을 KOH나 NaOH를사용하는이유는비도전율이크고양극전극에대한부식이작으며대기중 CO 2 흡수도가낮으며가격이 저렴하기때문이다. 최근자료에의하면수소제조기술관련특허출원건수는 2003년 51건에서 2014년 211건으로 4배이상증가하는추세를보이며앞으로의신재생에너지의추세를간접적으로보여준다. 본연구에서는 Alkaline 수전해장치를이용하여전기사용에대한비용을줄일수있으며, 이는공급에제한이없는미래지향적인에너지생산방식이라할수있다. 도시가스배관이없는지역및도서산간지역에설치하여수소생산을할수있고, 수소 ESS 시스템으로일일 24시간연속운전이가능하므로신재생에너지를보다효과적으로사용할수있는태양광및풍력등을이용한상용품을제작및연구하였다. 2. 실험 2.1 실험장치 Fig. 2는수전해장치를구성하고설계하기위한 P&ID이며 Fig. 3은전면사진이다. Table 1은장치 Power Supply의사양을나타내었다. 장치를구축하기위한부속기기로서가장중요한 Fig. 1 Structure of Electrolyzer Fig. 2 Alkaline electrolyzer P&ID 제 26 권제 3 호 2015 년 6 월

208 김보연ㆍ김동진ㆍ강은영ㆍ김태완ㆍ심희찬ㆍ이택홍 Table 2 DI water manufacturing equipment specification Model LIMITE 100 Production Max 100 L/hr Mixing rate 0~35 μs/cm Control Microprocessor Type Filter Pre Filter,

3 Front view of alkaline electrolyzer Table 1 Hydrogen Generator Power Supply specification Model AH2P-1KA Input power 80 kva Input current 1,000 A consumption power 100 % Weight 800 kg Input voltage

3 208 김보연ㆍ김동진ㆍ강은영ㆍ김태완ㆍ심희찬ㆍ이택홍 Table 2 DI water manufacturing equipment specification Model LIMITE 100 Production Max 100 L/hr Mixing rate 0~35 μs/cm Control Microprocessor Type Filter Pre Filter, Carbon Filter, RO mambrane Parts UV/UF Filter, Pressure Controller Size mm Power 220 volt, 50/60 Hz, Single phase Power consumption 0.5 kw Fig. 3 Front view of alkaline electrolyzer Table 1 Hydrogen Generator Power Supply specification Model AH2P-1KA Input power 80 kva Input current 1,000 A consumption power 100 % Weight 800 kg Input voltage V Frequency 50 / 60 Hz Working voltage 52 V Designed voltage 92 V 설비중하나인 10 Nm 3 /hr-h 2 성능을지니고있는전해조, 수소와산소를분리할수있는분리기, KOH 수용액을만들기위한초순수제조장치와혼합장치가있다. 연속운전시계속해서증가하는온도를제어할수있게열교환기를설치하였으며불순물을제거하는필터와수분을제거하기위한수분흡착탑을사용하였고, 분리기상단에응축기를설치하여수소의순도를높일수있게하였다. Pipe는 SUS 304, Tube는 15A, 25A, 40A, 50A와나머지부속품은플랜지, 엘보우및리듀서등을사용해유로를형성하였으며그유로를통해공급펌프로수용액을공급하고순환펌프를이용하여 4~7회 /hr로순환시켜준다. 또한 actuator valve, ball valve, check valve를사용하여유체의흐름을제어할수있게하였다. Fig. 4 Mixing tank for KOH solution 혼합탱크 Table 2는혼합탱크에유입되는 DI Water 제조장치의사양이다. Fig. 4는혼합탱크의전면사진으로내부온도는 63 C이다. 제조시에화학반응이일어나열이발생하기때문에별도의열교환기를설치하여안정성을높였다. 혼합탱크에서는 DI Water 에고형의 KOH를질량비로계산된양만큼녹여 30% 수용액을만들어전해질을제조한다 Electrolyzer Fig. 5은전해조의전면사진으로 10 Nm 3 /hr의수소발생용량을가지고있으며발생량에따라크기에변동이있다. 공정온도는 90 C 이하이며, PCW (Precess cooling water) 를이용하여온도를유지시키고공정압력은 320 bar 이하이다. >> 한국수소및신에너지학회논문집

Middle plate는 tongue and groove face flange 에돌기형모양의판을용접하여사용하였다. 2.1.3 Separator Fig. 6은분리기로유량게이지센서와내부온도및압력을측정하는센서를가지고있다.

4 209 Fig. 5 Cell side view of Electrolyzer Fig. 6 Decanter of Hydrogen and Oxygen gas collection 전해조는 membrane, anode, cathode, gasket, cell frame으로구성되어있으며가스켓은압축융착으로격막에부착되어있고전극은 mesh 타입으로되어있으며 anode는 Ni, cathode는 Ni+Al으로이루어져있다. Middle plate는 tongue and groove face flange 에돌기형모양의판을용접하여사용하였다 Separator Fig. 6은분리기로유량게이지센서와내부온도및압력을측정하는센서를가지고있다. 생산된가스 ( 수소, 산소 ) 를 1차적으로수집하고수소의순도를높이는방법으로수분을제거하기위한냉각기를상부에설치하여온도차이로인해수분이냉각되어제거될수있게설계하였다. 사양은부피 270 L, 중량 279 kg, STS304 재질로제작되었다. 2.2 실험방법 30 wt% KOH 수용액은 DI water 를혼합기에담고 90% KOH를넣어 bubble 및 heating을 30분간하여수용액을제조한다. 수전해장치의내부의반이상정도를수용액으로채울때까지공급펌프를이용해공급한다. 공급한전해질수용액은설정된값으로세팅되어있는전해조에유입되어전기를받아수소와 Fig. 7 Current change with time (min) 산소로분리되어기포로발생된다. 52 V의전압을주어시간에따른전류값의변화를확인하였으며이것을이용하여장치의전력소모값을확인할수있었다. 전기를공급하고시간이지남에따라전류값이증가하였는데, 약한시간후에는전류값의증가폭이일정한것으로확인되었다. 분리된수소와산소는전해질과함께분리기로흘러가고수분을잡기위해분리기상부에냉각기를설치하였다. 분리되지않은 KOH 수용액은다시순환펌프로유입되고전해조로공급시켜계속순환시켜준다. 수소의발생량을확인하기위해유량계를설치하여일정한양이나오기시작할때의유량을측정하였다. Vent의경우지면에서 5 m 이상의높이에설치하였으며외부로유출된토출부는비가들어오 제 26 권제 3 호 2015 년 6 월

210 김보연ㆍ김동진ㆍ강은영ㆍ김태완ㆍ심희찬ㆍ이택홍 지않게지면과평행하도록하였고, 수소는폭발의위험이있어발화성물질이닿지않는곳으로설치하였다. 3.

19 kw (T=100 C), 3.92 kw(t=95 C) 의공급되는전압은 1.75 V (100 C), 1.64 V (95 C) 이다. Fig.

76 V (95 C) 이다. 그래프상에서보는바와같이운전온도가증가할수록사용되는전압값이적어지고전압값이증가할수록전류값이증가함을확인할수있었다.

결론 수소 10 Nm 3 /hr 생산가능한알칼라인수전해장치를제작하여운전특성을샆펴보았다. 특히멤브레인재질을변화시키고및전압과전류등의운전조건의영향을살펴보았다.

5 210 김보연ㆍ김동진ㆍ강은영ㆍ김태완ㆍ심희찬ㆍ이택홍 지않게지면과평행하도록하였고, 수소는폭발의위험이있어발화성물질이닿지않는곳으로설치하였다. 3. 결과및고찰 본연구에서사용되었던알칼라인수전해장치는수소 10 Nm 3 /hr가생산가능하다. Fig. 8-11은실험을통해얻은데이터이며사용전력및그에따른장치효율을확인할수있다. Fig. 8, 9는운전압력 10 bar에서의 membrane 재질 A에대한결과그래프이며이때사용전력 4.19 kw (T=100 C), 3.92 kw(t=95 C) 의공급되는전압은 1.75 V (100 C), 1.64 V (95 C) 이다. Fig. 10, 11의운전압력은 30 bar이며 membrane은다른재질 B로하여운전하였다. 이때사용전력은 5.0 kw (T=85 C), 4.92 kw (T=95 C) 이고공급되는전압은 1.81 V (85 C), 1.76 V (95 C) 이다. 그래프상에서보는바와같이운전온도가증가할수록사용되는전압값이적어지고전압값이증가할수록전류값이증가함을확인할수있었다. 장치의효율은전력을열량으로환산한값으로계산하였을때, 사용전력당수소 10 Nm 3 을 100분위로나타내면 68% 의에너지효율을얻을수있다. 4. 결론 수소 10 Nm 3 /hr 생산가능한알칼라인수전해장치를제작하여운전특성을샆펴보았다. 특히멤브레인재질을변화시키고및전압과전류등의운전조건의영향을살펴보았다. 운전온도가증가할수록사용되는전압값이적어지고전압값이증가할수록전 Fig. 8 Applied voltage change with cell temperature (membrane A) Fig. 9 Current change with cell voltage variation (membrane A) Fig. 10 Applied voltage change with temperature (membrane B) Fig. 11 Current change with voltage variation (membrane B) >> 한국수소및신에너지학회논문집

6 211 류값이증가함을확인할수있었다. 앞으로지속적으로에너지효율상승을위한노력이필요하며에필수적으로연구가필요한전극의주요구성부품인 membrane 재질을변화시켜효율향상을위한연구가필요하다. References 1. T. H. Lee, T. W. Kim, T. S. Park, W. S. Choi, H. Y. Kim, and H. K. Lee, Hydrogen Impurities Analysis From Proton Exchange Membrane Hydrogen Production, Korea Hydrogen and New Energy Society, Vol. 18, 2007, pp J. Y. Lee, Y. M. Lee, and S. H. Uhm, Understanding Underlying Processes of Water Electrolysis, Korea Ind Eng. Chem., Vol. 19, 2008, pp , C. S. Byun, S. G, Lim, S. K. Kim, and H. K. Shin, A Study on the Variation of Anion Exchange Membrane of Hydrogen Generator of Alkaline Electrolysis, J. of KIEEME, Vol. 26, 2013, pp Y. C. Bak, Status for the Technology of Hydrogen Production from Coals, Energy R&D, Vol. 15, No. 2, 1993, pp O. S. Joo, Hydrogen Production Technology, Korean Chem. Eng. Res, Vol. 19, 2011, pp J. E. Son, Hydrogen & Fuel Cell Technology, Korean Chem. Eng. Res., Vol. 42, No. 1, 2004, pp Y. S. Yun, Hydrogen Production by Gasification Technologies, Energy Eng. J., Vol. 13, No. 1, 2004, pp H. S. Choi, C. H. Rhyu. S. U. Lee, C. S. Byun, and G. J. Hwang, Study on Anion Exchange Membrane for the Alkaline Electrolysis, Korea Hydrogen and New Energy Society, Vol. 4, 2007, pp H. J. Hyu, Hydrogen Generation Characteristics of SMART System with Inherent CO 2/H 2 Separation, Korea Hydrogen and New Energy Society, Vol. 18, 2007, pp 제 26 권제 3 호 2015 년 6 월

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<313630313032C6AFC1FD28B1C7C7F5C1DF292E687770> 양성자가속기연구센터 양성자가속기 개발 및 운영현황 DOI: 10.3938/PhiT.25.001 권혁중 김한성 Development and Operational Status of the Proton Linear Accelerator at the KOMAC Hyeok-Jung KWON and Han-Sung KIM A 100-MeV proton linear accelerator