수소 제조 기술 12O 6 + 6H 2O →2CH 3COO-+ 2H+ +2CO 2 + 4H 2 2mol acetic acid와최대4mol...

신에너지신에너지 첨단첨단 소재소재 및및 혁신혁신 융합융합 기술기술 –– 제제 8 8 강강

수소에너지수소에너지 제조제조 기술기술(3)(3)

목목 차차

# # 전기분해전기분해 제조제조 기술기술

# # 생물학적생물학적 제조제조 기술기술

전기분해전기분해 제조제조 기술기술


# # 물의물의 전기분해는전기분해는 가장가장 간단하면서도간단하면서도 신뢰성이신뢰성이 높고높고 대량대량

생산이생산이 용이함용이함..

ᄋᄋ 전기분해전기분해 시시 사용되는사용되는 전기에너지의전기에너지의 비용이비용이 높다는높다는 단점단점

=> => 전기에너지를전기에너지를 얻기얻기 위해서위해서 태양에너지태양에너지 또는또는 풍력풍력

에너지에너지 등등 대체에너지를대체에너지를 사용사용

=> => 최근최근 연료전지연료전지 발전발전 기술의기술의 도입과도입과 전기분해전기분해

효율이효율이 좋은좋은 고분자고분자 전해질막전해질막 (PEM)(PEM)을을 이용한이용한 분해분해

방법이방법이 각광각광 받음받음

=> => 온실가스의온실가스의 발생발생, , 환경부하를환경부하를 줄이고줄이고 기술의기술의

경제성경제성 확보확보

ᄋᄋ 70~80%70~80%의의 효율을효율을 가짐가짐. . 총총 생산량생산량 중중 4%4% 정도정도 차지차지

ᄋᄋ 물에물에 접촉하는접촉하는 두두 전극에전극에 직류전류를직류전류를 흘려흘려 전기분해전기분해

ᄋᄋ CathodeCathode : : 수소수소 발생발생, , AnodeAnode : : 산소산소 발생발생

ᄋᄋ 전해질전해질 : 1: 1기압기압, , 8080℃℃,, 알칼리알칼리 수용액을수용액을 사용사용

((대부분대부분 25 ~25 ~ 30wt% KOH30wt% KOH 사용사용))

ᄋᄋ 양적으로양적으로 무한한무한한 물을물을 통해통해 수소를수소를 얻을얻을 수수 있는있는 장점장점

ᄋᄋ 이산화탄소와이산화탄소와 같은같은 오염오염 물질을물질을 전혀전혀 배출하지배출하지 않음않음


구구 분분알칼리알칼리

수전해수전해

고분자고분자 전해질막전해질막

수전해수전해

고온고온 수증기수증기

수전해수전해

작동온도작동온도 ＜＜ 8080℃℃ ＜＜ 8080℃℃ 700700℃℃ ＜＜

전류밀도전류밀도 ＞＞ 0.3 0.3 A/cmA/cm22 1 1 A/cmA/cm22 ＜＜ 1 1 A/cmA/cm22 ＜＜

전기전기 대대 중중 소소소요소요

에너지에너지 열열 소소 소소 대대

가가 격격

신뢰성신뢰성

소소 대대 중중

대대 중중 소소

[ [ 물의물의 전기분해전기분해 기술기술 비교비교 ]]


# # 전해질전해질

ᄋᄋ 음극과음극과 양극양극 사이에사이에 존재하여존재하여 두두 전극을전극을 분리하며분리하며

음극에서음극에서 발생한발생한 OO--2 2 이온의이온의 통로통로 역할역할

ᄋᄋ 전해질의전해질의 조건조건

-- 기체기체 투과도가투과도가 용이한용이한 구조구조

-- 높은높은 산화물산화물 이온이온 전도도전도도 (oxide ion conductivity)(oxide ion conductivity)-- 낮은낮은 전자전자 전도도전도도 (electron conductivity)(electron conductivity)-- 전극의전극의 용융점용융점 아래의아래의 온도에서온도에서 이론밀도이론밀도 95%95%

이상으로이상으로 소결소결 (sintering)(sintering) 되어야되어야 함함..


# # 고온수증기전해법고온수증기전해법 (HTE, High(HTE, High--Temperature Electrolysis)Temperature Electrolysis)

ᄋᄋ 고체고체 전해질전해질 –– 지르코니아지르코니아, , 무기물무기물, ,

산소이온산소이온 전도성전도성 고체고체 전해질전해질 사용사용

ᄋᄋ 700~1000700~1000℃℃ 에서에서 고온의고온의 수증기를수증기를 전기분해전기분해 하는하는 방법방법

ᄋᄋ 아직까지아직까지 다른다른 기술에기술에 비하여비하여 기초기초 연구연구 단계단계

ᄋᄋ 전기화학적으로전기화학적으로 고체전해질고체전해질 연료전지연료전지 (SOFC)(SOFC)의의 역반응역반응

ᄋᄋ 차세대차세대 고온가스고온가스

-- VHTR (Very High Temperature Reactor)VHTR (Very High Temperature Reactor)의의

고온고온 핵열을핵열을 이용하는이용하는 차원에서차원에서 진행진행


e- e-

O2-

ElectrolyteCathode Anode

Cathode reactionH2O+2e- → H2+O2-

Anode reactionO2- → ½O2+2e-

H2O

H2 O2

T= 600~1200 ℃

[ [ 고온수증기전해법고온수증기전해법 (HTE)(HTE) ]]


# # 고체고체 고분자전해법고분자전해법 (SPE, Solid Polymer Electrolysis)(SPE, Solid Polymer Electrolysis)

ᄋᄋ 전해질전해질 : : 수소이온교환막을수소이온교환막을 사용하여사용하여 물을물을 전기전기 분해분해

ᄋᄋ 이온이온 교환막교환막

-- 술폰산기술폰산기 혹은혹은 카보닐염기를카보닐염기를 가지는가지는 불소계고분자불소계고분자

사용사용

-- 부식의부식의 문제가문제가 없기없기 때문에때문에 120 ~ 150120 ~ 150℃℃의의

고온에서의고온에서의 전해도전해도 가능하고가능하고 효율도효율도 높음높음

-- 수소와수소와 산소를산소를 격리하고격리하고 있는있는 격벽의격벽의 역할도역할도 담당담당

((고순도고순도) )


ᄋᄋ 시스템의시스템의 소형화가소형화가 가능가능

ᄋᄋ 경제성이경제성이 높은높은 시스템으로시스템으로 개량될개량될 가능성이가능성이 높음높음

ᄋᄋ SPESPE 수전해수전해 cellcell은은 크게크게 전극전극 ·· SPESPE ·· 집전체로집전체로 나뉨나뉨

구성구성 요소들의요소들의 성능이성능이 cellcell 성능에성능에 결정적인결정적인 역할을역할을 함함

ᄋᄋ 알칼리알칼리 수전해수전해 기술에기술에 비하여비하여 에너지에너지 효율성효율성, , 안정성안정성, ,

경량화경량화 등에서등에서 우수함우수함

ᄋᄋ 실용화실용화 측면에측면에 있어서있어서 HTEHTE 기술보다기술보다 우위를우위를 차지차지



[ [ SPESPE 고순도고순도 수소수소 발생기발생기 ]]

FrameFrameGasketGasket

BipolarBipolarElectrodeElectrode

ProtectorProtectorRingRing

MEAMEA

PorousPorousElectrodeElectrode


전해스택전해스택

수돗물수돗물

순수컬럼순수컬럼

FilterFilter

열교환기열교환기

VentVent

정화정화 UnitUnit

산소산소저장소저장소

수소수소저장소저장소

VentVent

정화정화 UnitUnit

HH22GG--L L 분리기분리기

WaterWater

HH22/Water/Water

HH22

HH22

OO22

OO22 압력수조압력수조

[ [ SPESPE시스템시스템 ]]


[ [ SPESPE의의 원리원리 ]]

전극접합체막전극접합체막

((이온교환막이온교환막++전극전극))

양극반응양극반응 2H2H22 →→ 4H4H++ + 4e+ 4e-- + O+ O22

음극반응음극반응 4H4H++ + 4e+ 4e-- →→ 2H2H22

HH22

HH22OO

OO22

HH22OO

다공질다공질 전극전극, , 양극양극

다공질다공질 전극전극, , 양극양극

다공질다공질 전극전극, , 음극음극

다공질다공질 전극전극, , 음극음극

HH22OO

ᄋᄋ 고체고체 고분자고분자 전해질전해질 막의막의 조건조건

-- 전기전기 저항이저항이 작고작고, , 우수한우수한 수소수소 이온이온 선택투과성선택투과성

-- 내내 산성산성, , 내내 알칼리성알칼리성, , 내내 약품성이약품성이 우수해야우수해야 함함

-- 물리물리, , 화학적인화학적인 특성이특성이 우수우수

-- 넓은넓은 온도온도 범위에서범위에서 사용이사용이 가능해야가능해야 함함

-- 열적열적 안정성안정성

-- DupondDupond 사의사의 NafionNafion막막

·· 화학적화학적 안정성이안정성이 우수우수

·· 고가이고고가이고 높은높은 온도에서온도에서 이온전도도이온전도도 및및 함수율이함수율이

저하됨저하됨


# # 알칼리알칼리 수전해수전해 기술의기술의 개발개발 방향방향

ᄋᄋ 전해전해 온도의온도의 고온화와고온화와 내구성내구성 재료의재료의 개발개발

-- 전해온도가전해온도가 상승하면상승하면 전극전극 과전압은과전압은 감소하고감소하고

효율은효율은 상승함상승함, , 이를이를 위해위해 가압형가압형 전해조의전해조의 개발과개발과

장치장치 재료의재료의 내구성내구성 향상이향상이 중요한중요한 관건이관건이 됨됨

ᄋᄋ 격막격막 재료의재료의 개발개발

-- PolysulphonePolysulphone에에 SbSb22OO33의의 혼합물혼합물, , 불소계불소계 이온교환막이온교환막,,

PTFE PTFE 니켈망에니켈망에 BaTiOBaTiO33 혹은혹은 CaTiOCaTiO33를를 부착시킨부착시킨

물질이물질이 검토검토

ᄋᄋ 신신 전극의전극의 개발개발

-- 낮은낮은 과전압과전압, , 높은높은 내구성의내구성의 전극이전극이 요구됨요구됨


# # 고분자고분자 전해질막전해질막 수전해법의수전해법의 기술방향기술방향

ᄋᄋ 전극재료의전극재료의 고성능화와고성능화와 안정성안정성 향상향상

-- 전극촉매의전극촉매의 선택이선택이 중요중요

-- 전극전극 촉매에촉매에 백금백금, , 이리듐이리듐, , 탄탈탄탈 등을등을 첨가하여첨가하여 안정화안정화

ᄋᄋ 이온이온 교환막의교환막의 성능성능 향상향상

-- 막의막의 성능성능 향상향상 : : 이온교환이온교환 용량의용량의 증대에증대에 의한의한 이온이온

전도도의전도도의 향상과향상과 강도강도, , 안정성의안정성의 향상향상


ᄋᄋ 전해온도의전해온도의 고온화고온화

-- 효율효율 향상을향상을 위해서위해서 운전온도를운전온도를 높이는높이는 것이것이 좋음좋음

-- 문제점문제점 : : 온도온도 증가증가 시시 막을막을 통한통한 가스가스 확산의확산의 증대증대, ,

내구성내구성 저하저하, , 음극음극 복극판의복극판의 수소취성수소취성 등의등의

문제점이문제점이 발견발견


중과제중과제 세부과제세부과제 핵핵 심심 기기 술술

저온형저온형 고체고분자고체고분자 전해질전해질 제작제작 기술기술 (PEM)(PEM)저온형저온형 촉매전극촉매전극 제작제작 기술기술 (PEM)(PEM)저온용저온용 막전극접합체막전극접합체 제조제조 기술기술 (PEM)(PEM)저온용저온용 집점체집점체 제조기술제조기술//유로유로 구조기술구조기술 (PEM)(PEM)저온용저온용 셀셀 제작제작 기술기술 (PEM)(PEM)저온용저온용 대형화대형화((스택스택))및및 시스템시스템 구성기술구성기술 (PEM)(PEM)고온용고온용 격막격막((고체고체 산화물산화물))제작기술제작기술 (HTE)(HTE)고온용고온용 전극전극 제작제작 기술기술 (HTE)(HTE)고온용고온용 막전극접합체막전극접합체 제조제조 기술기술 (HTE)(HTE)

고온용고온용 셀셀 제작제작 기술기술 (HTE)(HTE)

고효율고효율

수전해수전해

수소제조수소제조

기술기술

저온저온( <120( <120℃℃ ))

고온고온( >700( >700℃℃ ))

수전해수전해

수소제조수소제조

기술개발기술개발

[ [ 수전해수전해 기술의기술의 핵심기술핵심기술 ]]


# # 해외해외 현황현황

ᄋᄋ 캐나다캐나다 : 1989: 1989년부터년부터 EQHHEQHH 사업의사업의 일환으로일환으로 수력발전수력발전

전력을전력을 이용한이용한 알칼리알칼리 수용액수용액 전해법에전해법에 의해의해

수소를수소를 생산생산

ᄋᄋ 독일독일

< 1986 ~ 1995< 1986 ~ 1995년년 >>

-- HYSOLARHYSOLAR 사업사업 : : 태양광태양광 발전발전 –– 알칼리알칼리 수전해법수전해법,,

5050kWkW급급

< 1995 ~ 1999< 1995 ~ 1999년년 >>

-- SWBSWB 사업사업 : : 태양광태양광 발전발전 –– 알칼리알칼리 수전해수전해, 80, 80kWkW급급


ᄋᄋ 미국미국 : : 현재까지현재까지 수소제조수소제조 가격의가격의 저가화를저가화를 위한위한 연구연구

-- 태양광태양광 발전전력을발전전력을 수전해수전해 기술을기술을 활용활용

: : 수소수소 충전소충전소 운영운영

ᄋᄋ 일본일본 : : 고체고체 고분자전해법고분자전해법 ((PEMPEM))을을 이용한이용한 수소수소 생산생산

효율효율 증가를증가를 위한위한 자체자체 기술력확보기술력확보


생물학적생물학적 제조제조 기술기술

# # 태양이태양이 11년년 동안동안 지구에지구에 전달하는전달하는 에너지에너지

: 3.67 : 3.67 ×× 10102121 kJ kJ →→ 0.07% 0.07% 정도가정도가 유기물로유기물로 저장저장

1. 1. 바이오바이오 매스를매스를 이용하여이용하여 수소수소 및및 에너지에너지 생산생산 시시

미래에너지미래에너지 고갈에고갈에 대한대한 가장가장 확실한확실한 대비대비

2. 2. 화학공정의화학공정의 다양한다양한 화합물화합물 합성에합성에 있어있어 중요한중요한

원료원료 물질로도물질로도 사용가능사용가능


# # 바이오바이오 매스매스

ᄋᄋ 수소생산에수소생산에 사용되는사용되는 폐기물의폐기물의 중요한중요한 선정기준선정기준

-- 비용비용, , 탄수화물의탄수화물의 농도농도, , 생분해성생분해성 (biodegradability)(biodegradability)

-- 포도당포도당, , 자당자당 및및 유당유당 등은등은 생물학적으로생물학적으로 쉽게쉽게

분해되고분해되고, , 수소수소 생산을생산을 위한위한 기질로기질로 선호되고선호되고 있음있음

# # 수소생산을수소생산을 위한위한 주요주요 폐기물폐기물

ᄋᄋ 전분전분, , 섬유소를섬유소를 함유한함유한 식품식품 및및 농산물농산물 폐기물폐기물

ᄋᄋ 탄소화물탄소화물 함량이함량이 높은높은 산업폐기물산업폐기물

ᄋᄋ 폐수처리폐수처리 플랜트에서플랜트에서 폐폐 슬러지슬러지


# # 바이오바이오 매스란매스란??

ᄋᄋ 광합성에광합성에 의하여의하여 생성되는생성되는 다양한다양한 조류조류 ((藻類藻類) )

및및 식물자원식물자원

ex)ex) 나무나무, , 풀풀, , 농작물의농작물의 가지가지, , 잎잎, , 뿌리뿌리, , 열매열매 등등

ᄋᄋ 모든모든 산업산업 활동에서활동에서 발생하는발생하는 유기성유기성 폐자원폐자원

ex)ex) 톱밥톱밥, , 볏짚볏짚 등과등과 같은같은 농농 ·· 임업임업 부산물부산물, ,

하수하수 슬러지를슬러지를 포함하는포함하는 유기성유기성 산업산업 슬러지슬러지, ,

음식음식 및및 농수산농수산 시장에서시장에서 발생하는발생하는 쓰레기쓰레기,,

축산분뇨축산분뇨


ᄋᄋ 농작물농작물, , 산림산림 -- 공기공기 중중 이산화탄소와이산화탄소와 태양에너지를태양에너지를

이용하여이용하여 식량식량 생산생산, , 산소산소 발생발생

ᄋᄋ 축산분뇨축산분뇨, , 산업산업 슬러지슬러지 등등 -- 토양토양, , 하천오염의하천오염의 주원인주원인


종종 류류 처리처리 현황현황

음식물류음식물류 재활용재활용, , 매립매립, , 소각소각

폐지폐지, , 폐목류폐목류 매립매립, , 소각소각, , 재활용재활용

축산분뇨축산분뇨 퇴비퇴비, , 환원환원, , 저장저장//방류방류

하수하수 슬러지슬러지 매립매립, , 해양투기해양투기, , 소각소각, , 재활용재활용

제지제지 슬러지슬러지 매립매립, , 소각소각, , 재활용재활용

농업부산물농업부산물 재활용재활용, , 폐기폐기

[ [ 바이오바이오 매스매스 및및 유기성유기성 폐기물폐기물 자원자원 이용이용 현황현황 ]]


수소수소

메탄메탄

에탄올에탄올

디젤디젤

왕겨탄왕겨탄

열열 또는또는 혼합가스혼합가스

형태형태 주요주요 원료원료 물질물질

기체기체

기체기체

액체액체

액체액체

고체고체

열열//기체기체

유기성유기성 폐기물폐기물, , 폐수폐수, , 조류바이오매스조류바이오매스

유기성유기성 폐기물폐기물, , 폐수폐수

전분계전분계 및및 목질계목질계 바이오매스바이오매스

에너지에너지 작물작물, , 폐식용류폐식용류

농산농산 바이오매스바이오매스

수분함량이수분함량이 낮은낮은 각종각종 바이오매스바이오매스

제품제품

[ [ 바이오바이오 매스로부터매스로부터 생산되는생산되는 에너지의에너지의 종류종류 ]]


# # 기질의기질의 형태형태

ᄋᄋ 단당단당

–– 포도당은포도당은 생분해성생분해성 탄소원탄소원

-- 대부분의대부분의 산업폐기물이나산업폐기물이나 농업폐기물에농업폐기물에 존재존재

-- 이론적으로이론적으로 11몰의몰의 포도당에서포도당에서 1212몰의몰의 수소생산가능수소생산가능

ᄋᄋ 전분을전분을 함유하는함유하는 폐기물폐기물 사용사용

-- 자연계에자연계에 막대한막대한 양이양이 존재존재

-- 반응반응 양론적으로양론적으로 초산이초산이 부산물로부산물로 생성되는생성되는

전분전분 11grgr에서에서 최대최대 553553mLmL의의 수소수소 가스가스 생산생산 가능가능


ᄋᄋ 섬유소를섬유소를 함유하는함유하는 폐기물폐기물 사용사용

ᄋᄋ 식품공장식품공장 폐기물폐기물 및및 폐수폐수 사용사용

ᄋᄋ 폐폐 슬러지슬러지 사용사용


# # 바이오바이오 가스가스

ᄋᄋ 유기성유기성 폐기물폐기물 처리처리

: : 재활용재활용 / / 소각소각, , 매립매립, , 사료화사료화, , 열분해열분해 등등

유기물유기물 HH22 ,, CHCH44

산산//메탄메탄//수소수소 생성생성 세균세균

[ [ 매립매립 또는또는 발효공정발효공정 ]]


# # 바이오바이오 수소수소 (H(H22))

ᄋᄋ New & Renewable energyNew & Renewable energy

ᄋᄋ Clean energyClean energy

ᄋᄋ COCO22 reductionreduction

ᄋᄋ Plenty of raw materialsPlenty of raw materials

ᄋᄋ Organic waste treatment technologyOrganic waste treatment technology

ᄋᄋ high value pharmaceutical compounds. high value pharmaceutical compounds.

and food additivesand food additives


원료원료 방법방법 ChemistryChemistry

바이오바이오

매스매스

CC66HH1212OO6 6 + GDH, H+ GDH, H22ase ase →→ gluconicgluconic acid + Hacid + H22균체균체 외외 반응반응

광합성발효광합성발효빛빛, , 광합성미생물광합성미생물

유기산유기산 + H+ H22O O →→ 4~7 H4~7 H2 2 + CO+ CO22

암암 발효발효혐기미생물혐기미생물

CC66HH1212OO6 6 + H+ H22O O →→ 4~6 H4~6 H2 2 + CO+ CO2 2 ++ 유기산유기산


[ [ 미생물을미생물을 이용한이용한 바이오바이오 수소의수소의 생산생산 공정공정 ]]

원료원료 방법방법 ChemistryChemistry

물물

직접직접 분해분해

간접간접 분해분해

Light O2

H2O PS Fd H2 ase H2

Light

H2O PS CH2O

CO2

CH2O Fd H2 ase H2


[ [ 광합성광합성 시스템을시스템을 이용한이용한 수소수소 생산생산 ]]

# # 혐기혐기 발효발효 (Dark fermentation)(Dark fermentation)

ᄋᄋ 혐기성혐기성 미생물은미생물은 탄화수소를탄화수소를 함유한함유한 유기유기 폐기물폐기물

로부터로부터 수소생산수소생산

ᄋᄋ 탄수화물의탄수화물의 혐기혐기 발효로발효로 수소수소 생산생산 시시 주요주요 생산물생산물

-- 초산초산, , 유산유산, , 부틸산부틸산, , 프로피온산프로피온산 등등

ᄋᄋ 유당유당, , 자당을자당을 기질로기질로 사용할사용할 경우경우 유산유산 (Lactic acid)(Lactic acid)이이

생성됨생성됨

ᄋᄋ 반응반응 조건에조건에 따라서따라서 에탄올도에탄올도 생산이생산이 가능가능

ᄋᄋ 함께함께 생성되는생성되는 미량의미량의 산소를산소를 제거하기제거하기 위해위해

환원제도환원제도 사용됨사용됨


ᄋᄋ 수소에너지수소에너지 생산생산 + + 유기성유기성 폐기물폐기물 처리처리

ᄋᄋ 혐기혐기 발효발효 박테리아들은박테리아들은 자체자체 내내 존재하는존재하는 EMPEMP 경로를경로를

거쳐거쳐 HH22, CO, CO22, butyrate, butyrate를를 생성하며생성하며 동시에동시에 lactatelactate, ,

acetate, acetate, butanolbutanol, , 에탄올도에탄올도 생성생성

-- 반응반응 예예 ((AcetateAcetate가가 생성될생성될 경우경우))

CC66HH1212OO66 + 6H+ 6H22O O →→ 2CH2CH33COOCOO-- + 2H+ 2H++ +2CO+2CO22 + 4H+ 4H22

2mol acetic acid2mol acetic acid와와 최대최대 4mol 4mol 수소생산수소생산 (33% (33% 전환전환))

ᄋᄋ 광합성광합성 박테리아에박테리아에 의해의해 높은높은 수소수소 발생율발생율 유도유도

-- 2CH2CH33COOH + 4HCOOH + 4H22O O →→ 4CO4CO22 + 8H+ 8H22


# # 광광 발효에발효에 의한의한 수소생산수소생산

ᄋᄋ 미생물의미생물의 형태형태 및및 조건조건

-- 광합성광합성 박테리아의박테리아의 최적최적 성장성장 조건은조건은 3030℃℃, , pHpH 77

ᄋᄋ 광합성광합성 박테리아가박테리아가 선호하는선호하는 물질물질

-- 탄소가탄소가 함유된함유된 유기산유기산, , 다른다른 탄수화물탄수화물, , 산업산업 폐기물폐기물 등등

ᄋᄋ 수소수소 생산생산 수율수율

-- 빛의빛의 강도강도, , 탄소원료탄소원료, , 미생물미생물 배양배양 형태에형태에 영향을영향을 받음받음

ᄋᄋ 니트로게나아제니트로게나아제 ((nitrogenasenitrogenase))

-- 수소수소 생산에서생산에서 촉매촉매 작용을작용을 하는하는 핵심핵심 요소요소


COCO22

HH22OO

OO22

PSPSⅡⅡ PSPSⅠⅠ CHOCHO

HH22 NitrogenaseNitrogenase FdFd PSPSⅠⅠ

HydrogenaseHydrogenase

COCO22

LighLightt

PSPSⅠⅠ: Photosynthetic system : Photosynthetic system ⅠⅠ

PS PS ⅡⅡ : Photosynthetic system : Photosynthetic system ⅡⅡ

FdFd : : ferredoxinferredoxin

[ [ 광합성광합성 미생물의미생물의 수소생산수소생산 mechanismmechanism ]]

HH22


[ [ 생물학적생물학적 수소생산수소생산 모식도모식도 ]]


# # 혐기혐기 발효발효 및및 광광 발효발효 수소수소 생산법생산법

ᄋᄋ 단일단일 바이오바이오--수소수소 생산생산 기술에기술에 비해비해 새로운새로운 접근접근 방법방법

ᄋᄋ 단일단일 혐기혐기 발효발효 공정공정, , 광광 발효발효 공정공정 보다보다 장점이장점이 많음많음

ᄋᄋ 혐기혐기 발효에서발효에서 나온나온 배출물은배출물은 광광 발효를발효를 위한위한

충분한충분한 양의양의 유기산을유기산을 제공제공 하며하며 이이 결합결합 시스템에서시스템에서

수소수소 생산생산 수율을수율을 더욱더욱 높일높일 수수 있음있음


[ Small scale (50ml serum bottle)[ Small scale (50ml serum bottle) ]]


[ [ 1 L Column reactor 1 L Column reactor ]]


[ [ 7 L Coil reactor 7 L Coil reactor ]]


[ [ 5050 L flat vertical photoL flat vertical photo--bioreactor bioreactor ]]


[ 100 L photo[ 100 L photo--bioreactor for algal growth ]bioreactor for algal growth ]


[ [ 100100 L stirredL stirred--tank anaerobic tank anaerobic fermentorfermentor ]]


[ [ 200200 L flat horizontal photoL flat horizontal photo--bioreactor bioreactor ]]


[ [ 혐기혐기 미생물미생물 연속연속 배양배양 장치장치 ]]


기술기술 분야분야`̀ 세부기술세부기술 내용내용 국국 외외 국국 내내

미생물분리미생물분리 및및

개선개선 기술기술

* * 광효율광효율 개선개선

* * 자연계분리자연계분리

* * 변이변이 및및 유전자유전자 조작조작

* * 미국미국, , 일본일본 기술기술 축척축척

* * 해수해수,,담수담수 미생물분리미생물분리

* * 기술기술 수준수준 높음높음

* * 기초기술기초기술

* * 기술축적기술축적

* * 기초연구기초연구

광합성광합성 미생물미생물

배양기술배양기술

* * 균체고정화균체고정화

* * 혐기혐기 미생물미생물 배양배양

* * 광합성광합성 미생물미생물 배양배양

* * 영국영국, , 러시아러시아 우수우수

* * 개발개발 단계단계

* * 옥외옥외//실내실내 배양기술배양기술

* * 기술축적기술축적

* * 개발단계개발단계

* * 기초기술기초기술

수소생산수소생산 기술기술

* * 반응기반응기 디자인디자인

* * Open pond Open pond

배양시설배양시설

* * 광합성광합성 반응기반응기

* * 균체분리균체분리 및및 전차리전차리


* * 상용화상용화


* * 연구단계연구단계


* * 없음없음

* * 기술축척기술축척


[ [ 국내외국내외 기술기술 개발개발 동향동향 ]]


국가국가 및및 programprogram 연구기간연구기간 내용내용

일본일본 : : 통산성통산성, , NEDO, NEDO, RITE, NIBH, HarimaRITE, NIBH, Harima, , 1991~19991991~1999 환경조화형환경조화형 수소제조수소제조 기술기술 개발개발

독일독일 1993~19981993~1998Purple bacteriaPurple bacteria 이용이용 생물학적생물학적

수소생산수소생산

IEAIEA--Annex 10Annex 10 1995~19981995~1998 PhotoproductionPhotoproduction of Hydrogenof Hydrogen

IEAIEA--Annex 15Annex 15 1999~20011999~2001 Biological Hydrogen ProductionBiological Hydrogen Production

미국미국:DOE,NREL:DOE,NREL, , 대학대학 2000~20042000~2004 광광 생물학적생물학적 물분해물분해 수소생산수소생산

다국적다국적 수소연구그룹수소연구그룹

BioBio--HydrogenHydrogen 1999~1999~현재현재 생물학적생물학적 수소수소 생산생산 관련관련

그그 외외 영국영국, , 스웨덴스웨덴,,

인디아인디아, , 쿠바쿠바 등등1995 1995 이후이후 생물학적생물학적 수소수소 생산생산 관련관련 연구연구 착수착수

[ [ 국외국외 연구연구 현황현황 ]]


# # 금속금속 산화물을산화물을 이용한이용한 제조제조 방법방법

ᄋᄋ 금속금속 산화물을산화물을 열에너지로열에너지로 환원환원 시키고시키고 환원된환원된

금속금속 산화물과산화물과 물과의물과의 반응에반응에 의해의해 수소를수소를 제조하는제조하는

22단계단계 방법방법

-- MOMOoxox+thermal+thermal energy energy →→ MOMOredred + O+ O22

-- MOMOredred + H+ H22O O →→ MOMOoxox + H+ H22 ( Water ( Water –– splitting )splitting )

ᄋᄋ AlAl22OO33, Fe, Fe22OO33, YSZ, ZrO, YSZ, ZrO22, TiO, TiO22 등과등과 같은같은 금속금속 산화물을산화물을

지지체로지지체로 사용사용

기타기타 제조제조 방법방법


# 2-프로판올의 탈수소화에 의한 수소 제조

2CH3COCH3 + H2 2CH3CHOHCH3

(아세톤) (2-프로판올)

ᄋ 탈수소화 반응촉매 Rh, Pt, Ru, Cu, Raney nickel 등의

금속이 사용


# 알칼리 NaBH4 용액에서 Co-B 촉매를 이용한 수소 제조

ᄋ NaBH4 수용액을 이용한 수소 발생 반응

NaBH4(aq) + 2H2O

4H2 + NaBO2(aq) + 217 kJ (heat)

수소 제조 기술 12O 6 + 6H 2O →2CH 3COO-+ 2H+ +2CO 2 + 4H 2 2mol acetic acid와최대4mol...

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Transcript of 수소 제조 기술 12O 6 + 6H 2O →2CH 3COO-+ 2H+ +2CO 2 + 4H 2 2mol acetic acid와최대4mol...