<기획-1A>

민·군겸용기술개발사업 기술수요조사서
기 술 명			화학수소화물(NaBH4) 기반 100kW급 수소저장 / 발생 시스템 개발
연구개발개요 (300자 이내)			압축 수소 및 액화 수소저장 방식에 비해 안전성 및 취급·운용이 편리하고, 무게와 부피가 상대적으로 작아 차량용과 이동용에 적합한 고밀도 화학수소화물 기반의 대용량 수소저장 / 발생 시스템을 개발하고, 연료전지와 연계하여 100kW급 전력생산 성능을 실증함. 또한, 사용 후 수소저장 화합물의 재처리를 위한 핵심기술도 개발하여 화학수소화물 기반의 수소저장 / 발생 시스템의 경제성을 향상시키고자 함.
기술분류			(국가과학기술분류) EF. 에너지/자원 (국방과학기술분류) 에너지/차세대동력원 (민군기술분류) 친환경/차세대 에너지
기술성숙도(TRL)			(착수) TRL 2			(종료) TRL 5
지역/기관유형 ※ 해당 사항에 ○ 표시 혹은 기입			서울( ) 부산( ) 대구( ) 인천( ) 대전(○) 울산( ) 광주( ) 경기( ) 강원( ) 충남( ) 충북( ) 전남( ) 전북( ) 경남( ) 경북( ) 제주( ) 세종( )			대기업( ) 중견기업( ) 중소기업( ) 대학교( ) 정부부처( ) 국공립연구소( ) 출연연구소(○) 전문생산기술연구소( ) 병원( ) 육군( ) 해군( ) 공군( ) 해병대( ) 기타( )
제안자 (대표자)	기관명		ABC연구소			성 명			홍길동
	부서명		에너지 연구부서			직 급			팀장
	전자우편		hong@abc.re.kr			국가연구자번호			12345678
	직장전화번호		042-432-3455			휴대전화번호			010-1234-5678
제안자 (실무자)	기관명		ABC연구소			성 명			홍동길
	부서명		에너지 연구부서			직 급			팀원
	전자우편		park@abc.re.kr			국가연구자번호			87654321
	직장전화번호		042-432-3456			휴대전화번호			010-4321-8765
민·군 활용성 평가시 발표희망 여부			■ 예 □ 아니오			빈칸			빈칸
핵심 키워드 (최소 4개씩)		한글	화학수소화물	수소저장/발생	연료전지		수소저장 화합물 재처리
		영문	NaBH4	hydrogen storage/generator	fuel cell		NaBH4 recycling system

1. 수요기술 개요

1) 수요기술 내용 및 기능

□ 개발 하고자 하는 핵심기술

◦ 수소저장 방법은 크게 물리적 저장과 화학적 저장으로 구분되며, 물리적 저장방법 중 압축가스 저장방법은 현재의 기술 수준에서 가장 일반적인 방법으로, 고압 상태로 바로 사용할 수 있도록 보관하는 방법임. 화학적 저장방법은 금속수소화물(Metal Hydrides), 화학수소화물(Chemical Hydrides), 흡착제(Sorbents) 방식 등으로 구분됨. 고압수소와 액화수소는 DOE(미국 에너지부) 수소 저장목표에 미치지 못하며, 금속수소화물과 화학수소화물은 목표를 상회함.

◦ 금속수소화물은 수소 저장능력이 높고 온보드 리사이클이 가능하나, 수소 발생 온도가 높고 가격이 비싸며 무겁고 안정성이 떨어짐. 복합금속 화합물이나 금속간화합물은 수소저장용량이 적고 수소 발생속도가 느림.

◦ 화학수소화물은 가벼우면서도 높은 수소저장능력뿐 아니라 빠른 수소 발생속도와 상대적으로 저렴한 가격이 장점이나, 수소 발생 온도가 높고 재생이 힘든 단점이 있음. 그러나 최근 기술개발로 수소 발생 온도를 상온~120oC 에서 실현하고, 실험실 수준의 오프보드에서 리사이클 효율 80% 이상을 달성하여 현재 가장 우수한 수소 저장체로 주목받고 있음.

◦ 기존의 화학수소화물 기반의 수소저장 / 발생 장치 관련 연구에서는 1kW급 이하의 수소 발생 장치에 관한 연구가 수행되었으나, 대용량이 요구되는 수소 연료전지 차량이나 수십~수백 kW급 이동식 발전기에 적용하기에는 기술적 경제적 한계가 있음.

◦ 본 과제에서는 대용량 고효율 고체 화학수소화물 기반 수소저장 / 발생 시스템을 개발하고, 수소 연료전지를 이용한 차량, 선박 및 중대형 드론 등과 같은 운송수단 및 100kW급 대용량 이동식 연료전지와 연계하여 그 성능을 실증하고자 함. 또한, 사용 후 수소저장 화합물의 재처리 기술도 개발하여 경제성을 향상하고자 함.

□ 기술의 기능/범위

◦ 수소는 타 에너지에 비하여 같은 무게에서 에너지 밀도가 가장 높으나, 같은 부피에서는 에너지 밀도가 가장 낮은 에너지로 운송 및 저장에 높은 기술을 요구함.

◦ 수소저장 방법 중 화학적 저장방법은 크게 금속수소화물(Metal Hydrides), 화학수소화물(Chemical Hydrides), 흡착제(Sorbents) 방식 등으로 구분됨.

◦ 저장 형태에 따른 저장용량을 부피밀도와 질량밀도 모두 화학수소화물, 금속수소화물 등이 상대적으로 높고, 압축수소와 액체수소는 DOE 기준에 미치지 못함.

◦ 화학수소화물의 대표적인 화합물인 NH3BH3, LiBH4, NaBH4의 특성을 비교해 보면, NH3BH3는 매우 우수한 화학수소화물이나 가격이 너무 비싸 민수용으로 경제성이 없으며, LiBH4는 NH3BH3 보다는 저렴하지만 여전히 많이 비싸고 리튬 화합물의 특성상 상온에서 불안정 함. NaBH4는 분해온도가 매우 높아 수소생성이 힘들지만, DOE 기준보다 높은 수소저장량을 가지며 무엇보다 가격이 매우 저렴하여 벌크제품 가격이 kg당 $1~$3 에 불과함. 따라서 분해온도만 DOE 기준으로 낮출 수 있다면 화학수소화물 중 NaBH4의 경쟁력이 가장 높음.

◦ NaBH4에서 수소를 추출하는 방법으로 가수분해(Hydrolysis)와 열분해(Thermolysis)가 있음. 열분해 방식의 수소 추출 기술은 높은 열분해 온도로 인해 대부분 실험실 수준의 연구가 진행되고 있음. 반면, 상온에서 운전이 가능하며 상대적으로 기술이 성숙된 가수분해 방식은 시스템 수준까지 연구 및 개발이 진행되고 있으나, 아직 수 kW급 전력생산 수준의 수소 발생 기술이라는 한계가 있음.

◦ NaBH4는 수소발생이 끝나면 NaBO2로 변환되며 이를 다시 NaBH4로 재생하기 위해서는 환원반응이 필요함. 환원반응을 위해 다양한 방법이 시도되고 있으며 현재 실험실 수준에서 NaBO2의 80~90%가 NaBH4로 재생 가능함. 이러한 리사이클 시스템을 고려하면 화학수소화물 기반 수소저장 / 발생 시스템의 경제성은 더욱 향상될 것으로 기대됨.

◦ 화학수소화물 기반의 수소저장 / 발생 시스템은 경량화 / 소형화가 가능한 고용량 수소저장 방법으로 대용량 수소저장 / 발생 시스템 개발 시, 연료전지를 사용한 차량이나 선박, 중형급 드론 등과 같은 운송수단에 적용 가능함.

〈 화학수소화물을 이용한 수소저장 / 발생 장치와 이를 이용한 연료전지시스템 구성 예시 〉

2) 활용계획 및 추가 활용이 가능한 분야

□ 활용계획

◦ [민수분야] 수소연료전지 차량, 비상전력 공급, 도서 지역 등 상전 공급 제한지역 전력공급  (개발 후 3년 이내)

◦ [군수분야] 수소연료전지 탑재 군용 차량, 지휘소용 저소음 전원공급장치, 무기 및 전력지원체계의 전력공급 (개발 후 3년 이내)

□ 적용처

◦ [민수분야] 수소연료전지 차량, 선박 및 중대형 드론, 재해재난 등 긴급상황 시 비상전력공급, 상전 사용 제한 현장, 주거지역 건설현장, 인터넷 데이터 센터(IDC) 등

◦ [군수분야] 수소연료전지 탑재 군용 차량, 함정 및 중대형 군용 드론, 전술 지휘소 및 사단급 이상 지휘소용 발전기, 무인 운용 통신(중계)기지국 및 통신장비 전원, GP / GOP 등의 격오지 비상전력공급, 대용량 무선전송체계 발전기, 군용 건설장비 발전기 등

2. 연구개발의 목표 및 내용

1) 목표 및 내용

□ 최종 목표

◦ 본 과제를 통하여 화학수소화물 기반 대용량 수소저장 / 발생 시스템 개발 및 연료전지 연계 실증, 사용 후 화학수소화물 재처리 기술개발

반응물, 수소 추출장치, Controller, Filter, Gas Flow Regulator 등

□ 정량적 목표

[민·군수용]

핵심 기술/제품 성능지표		단위	달성목표	국내최고수준 (근거 제시)	세계최고수준 (근거 제시)	비 고 (환경 조건 등)
수소저장 / 발생시스템	수소생산량	kg/hr	5 이상	0.27	4.5 (미국, Millennium Cell & DOE)
	질량저장밀도	wt%	6 이상 (반응물 기준)	6.3	6.7 (중국)
	부피저장밀도	gH2/L	60 이상(반응물 기준), 24 이상(시스템 기준)	24.6	28.3 (싱가포르, Horizon Fuel Cell)
	크기	m	2m 이하 x 2m 이하 x 3m 이하 (W x H x L)	0.5m×0.2m×0.2m	0.23m×0.11m×0.12m (싱가포르, Horizon Fuel Cell)
	수소순도	%	99 이상	99.999	N/A
연료전지 연계 실증	정격출력	kW	100 이상 (2개 이상의 수소저장 / 발생 시스템 모듈화 가능)	1	50 (미국, Millennium Cell & DOE)
	연속 운전시간	hr	30 이상	5	4.5 (싱가포르, Horizon Fuel Cell)
	운용온도	℃	0℃ ~ +43℃	N/A	N/A
사용 후 재처리	재생 수율	%	80 이상 (NaBO2 1kg 기준)	69 (수십 g 수준)	60~90 (호주) 실험실 단위 수 g 기준

□ 연구개발 내용

[소재개발]

◦ 수소저장 용량 향상을 위한 반응전략 개발

◦ 소재 열물성 측정기술 개발

◦ 소재 양산화 기술개발 및 기반 구축

◦ 사용 후 화학수소화물 재처리 혹은 재생공정 기술개발

[설계/제작]

◦ 수소저장 시스템 설계 및 열관리 기술개발 및 실증

◦ 수소방출 반응기 및 반응시스템 요소기술개발

◦ 수소방출 성능평가시스템 설계 및 개발

◦ 모듈화 설계 시 통합제어기술 개발

[성능시험]

◦ 반응기 성능평가 방안 도출 및 최적 운전기술개발

◦ 연료전지 연계 운전 및 성능평가

2) 제안 취지 및 필요성

□ 제안 배경 및 취지

◦ 지구 온난화 등의 환경문제로 친환경·저탄소 에너지 개발을 위한 수많은 기술개발이 국내·외에서 활발히 진행되고 있음. 이중 수소 연료전지는 오염물질 배출 등으로 규제가 심한 내연기관을 대체하는 대안 중의 하나로 다양한 분야에서 그 수요가 확대되고 있음. 특히 차량이나 선박, 중대형 드론 등과 같은 운송수단 및 내연기관 기반의 이동형 발전기를 대체하는 분야에서 수소 연료전지 수요는 대폭 증가할 것으로 예상됨.

◦ 수소 연료전지의 실용화 향상을 위해 수소의 생산, 저장, 운송 등의 각 분야에서 기술개발이 진행되고 있으며, 수소 저장분야에서는 물리적 수소저장 방법(압축수소 및 액화수소 저장)에 비해 높은 질량밀도와 부피밀도의 특성을 갖는 화학적 수소저장 관련 기술개발이 활발히 수행되고 있음.

◦ 화학적 수소저장 방법은 금속수소화물(Metal Hydrides), 화학수소화물(Chemical Hydrides), 흡착제(Sorbents) 방식 등으로 구분할 수 있으며, 이 중 화학수소화물 방식은 높은 수소 저장능력뿐 아니라 빠른 수소 발생속도와 상대적으로 저렴한 가격이 장점으로, 최근 기술개발로 인해 수소 발생 온도가 상온~120℃에서 가능하여 현재 가장 우수한 수소 저장체로 주목받고 있음.

◦ 화학수소화물 기반의 수소 저장 / 발생 장치 관련 기존 연구에서는 1kW급 이하의 수소 발생 장치에 관한 연구가 수행되었으나, 대용량이 요구되는 수소 연료전지 차량이나 수십~수백 kW급 이동식 발전기에 적용하기에는 기술적 경제적 한계가 있음.

□ 필요성

◦ 화학수소화물은 무게와 부피가 작아 고밀도 / 고용량의 수소저장이 가능하며 폭발 위험성 감소에 따른 취급 안전성 및 장기보관과 운용 편의성이 매우 뛰어난 기술임. 소형 항공기나 이동용 연료전지 등에 매우 적합하며, 고온 / 저온, 진동 / 충격 등의 내환경성이 뛰어나며, 내연기관 기반의 발전기에 비해 저소음 / 저진동 특성을 가지므로 민수 및 군수 분야에서 수소연료전지를 활용한 전력생산에 적합한 수소저장 방식임.

◦ 화학수소화물의 대표적인 화합물인 Ammonia borane(NH3BH3), Lithium borohydride (LiBH4), Sodium borohydride(NaBH4) 중 Sodium borohydride는 다른 화합물에 비해 가격이 매우 저렴하여 경제성이 있으며, 시스템 수준까지 연구개발이 진행되어 상대적으로 기술성숙도가 높아 대용량의 수소 저장/발생 시스템 개발 가능성이 매우 큼. 또한, 경제성 향상을 위해 사용 후 화합물의 재처리 기술개발도 필요함.

◦ 민수분야에서는 차량이나 선박 및 중대형 드론 등에 화학수소화물(NaBH4) 기반의 수소저장 / 발생 시스템 적용 시, 기존의 수소저장 방법에 비해 취급 안전성과 운용 편리성 등이 획기적으로 향상될 것으로 기대되며, 이동형 발전시스템은 소음과 진동을 유발하는 내연기관 발전기를 대체하여 인구 밀집 지역 및 도심지역과 에너지 자립도가 낮은 도서 지역에서 친환경적이며 안전성이 향상된 전력공급이 가능함.

◦ 군수분야에서는 화학수소화물(NaBH4) 기반의 수소저장 / 발생 장치 개발 시, 폭발의 위험성으로부터 병력의 안전을 확보하고 동계작전 시에도 안정적인 사용은 물론 장기보관도 가능할 것으로 기대됨. 또한, 각종 소음이나 열에 의해 적에게 노출되는 환경에서 병사를 보호할 수 있고, 동계·하계 구분 없이 장시간 작동시간이 보장되어 작전반경도 크게 확대될 수 있을 것으로 전망됨.

3) 기존 선행연구 (해당시 작성)

□ 선행연구 과제명 1 (유형(단계)/기간/예산)

◦ 고용량의 화학수소화물인 암모니아보란(NH3BH3, AB)과 붕소수소화나트륨(NaBH4, SBH)의 수소저장용량 향상을 위한 연구와 연료전지와 연계한 수소저장 시스템의 실증 및 무인기용 수소저장 시스템 개발, 실증하였음. ~~~ 본 제안과제는 대용량의 수소저장 / 발생 시스템을 개발하여 차량용 및 100kW급의 이동용 연료전지에 적용을 목표로 하는 과제로서 차별성이 있음.

□ 선행연구 과제명 2 (유형(단계)/기간/예산)

◦ 무방향성 고체 화학수소화물(NaBH4, SBH)에 Agent(acid or carbonate)를 분사하여 수소를 직접 추출하는 기법을 개발하여 주요한 성능 파라미터(반응온도/압력, Agent 주입속도 / 패턴)를 도출하였으며, 수소 발생속도 제어기법 개발과 1kW급 수소발생기 시제품 설계 / 제작 및 성능평가 / 최적화를 실시하였음. 본 제안과제에서는 100kW급 전력생산이 가능한 수소발생기 기술개발을 목표로 하므로 차별성이 있음.

3. 국내외 동향

국내 동향	□ 기술동향 ◦ 방위사업청은 지난 2월7일, 방위산업발전협의회에서‘군 기동무기체계의 수소연료전지 기반 탄소 중립 추진계획’을 발표하였으며, 산업부와 민간기관(한국자동차연구원 등)과 협력해 200kW급 차륜형장갑차의 수소연료전지와 전동화 추진체계를 개발할 예정임. 기동무기체계 적용 수소연료전지 추진체계 확보전략(전자신문 등, 2022.2.7.) ◦ 차량용이나 100kW급 이동용 연료전지에 적용하기 위한 대용량의 화학 수소화물 기반의 수소저장/발생 시스템에 관한 연구는 아직 활발히 진행되지 않은 상황임. □ 시장현황 ◦ 고체화학수소화물 수소 추출기법을 개발한 ㈜OOO는 군사용 고고도 무인기용 수소발생기(20XX ~) 등 납품, 국내 국방과제 근력증강로봇 차세대 전원 프로젝트 참여 등에 관련 기술이 적용된 제품을 납품하고 있음.
해외 동향	□ 기술동향 ◦ 미국은 2020년 11월, 미국 에너지부(DOE)에서는 지난 20년간 산하 여러 기관에서 진행해 온 수소 경제를 위한 연구개발 실증(RD&D : Research Development & Demonstration) 성과를 정리하고, 향후 미국의 수소기술 부흥을 위한 수소 프로그램계획(Hydrogen Program Plan)을 발표하였음. ◦ 미군 수소 충전 인프라 : 2019년 수소 시연장비(JP-8 연료개질기)는 하루에 약 18 ~ 30kg(넥쏘 차량 4~6대 충전가능량)의 수소를 생산 가능하며, 전술용 수소충전소는 700bar의 압력 하 54kg 수소저장이 가능함. U.S. ARMY COMBAT CAPABILITIES DEVELOPMENT COMMAND, “Hydrogen Fuel Cell Technology and Its Military Applications”, 2019.2.

4. 예산 규모 및 수행자 요건

1) 연구개발 기간 및 예산 규모

구분	기간	1차 연도1) (`24. 5.~12.)	2차 연도 (`25. 1.~12.)	3차 연도 (`26. 1.~12.)	4차 연도 (`27. 1.~12.)	5차 연도 (`28. 1.~5.)	합계
총 연구개발비2)	5 년	10억원	10억원	15억원	15억원	10억원	60억원

2) 연구자 제약사항 (해당시 작성)

◦ 해당 없음

5. 파급효과 및 특이사항

파급효과	□ 군수 분야 ◦ 화학수소화물 기반의 수소저장 / 발생 장치 개발 시, 폭발의 위험성으로부터 병력의 안전을 확보하고 동계작전 시에도 안정적인 사용은 물론 장기보관도 가능할 것으로 기대됨. 또한, 각종 소음이나 열에 의해 적에게 노출되는 환경에서 병사를 보호할 수 있고, 동계·하계 구분 없이 장시간 작동시간이 보장되어 작전반경도 크게 확대될 수 있을 것으로 전망됨. □ 민수 분야 ◦ 대용량의 화학수소화물 기반 수소저장 / 발생 시스템 개발 시, 가장 큰 수요 시장인 국내외 차량용 연료전지 시장 진출도 가능하며, 세계 최고 수준의 수소저장체 기술개발을 토대로 세계 수소 연료전지 시장을 선점할 수 있는 토대를 마련할 수 있을 뿐만 아니라 국내 관련 수소산업의 경쟁력 제고 및 신규 일자리 창출에 기여할 것으로 기대됨.
특이사항 (해당시)	□ 과제 수행을 위한 필수 설비 및 장비 ◦ 해당 없음.

6. 약어 및 참고문헌 (해당시 작성)

□ 약어

◦ RD&D : Research Development & Demonstration

□ 참고문헌

◦ 기동무기체계 적용 수소연료전지 추진체계 확보전략(전자신문 등, 2022.2.7.)

◦ U.S. ARMY COMBAT CAPABILITIES DEVELOPMENT COMMAND, “Hydrogen Fuel Cell Technology and Its Military Applications”, 2019.2.

7. 개인정보 수집 및 이용 동의서

개인정보 수집 및 이용에 대한 동의

◦ 개인정보 수집ㆍ이용 목적

- 민군기술협력사업 과제 기획(민·군 활용성 평가, RFP 작성 등)에 활용

◦ 수집하는 개인정보 및 과세정보 항목

- 제안자 성명, 소속 기관명, 부서명, 직급명, 전화번호, 휴대전화번호, 전자우편주소

◦ 개인정보 및 과세정보 보유ㆍ이용 기간 : 동의서가 작성된 시점부터 상기 개인정보 수집·이용 목적이 종료되는 시점까지

◦ 개인정보 수집․이용에 관한 동의 여부 : 동의함 ■  동의하지않음 ☐

<첨부 1> 수요기술의 중복성 검토 결과서

※ 국가과학기술지식정보서비스(www.ntis.go.kr)에서 제공하는 과제 중복성 검토를 위한“유사성검토”기능을 활용하여, 검색결과를 첨부(필수)

※ 제안과제 특성에 따라 연구내용, 키워드, 기준유사도 등을 설정하여 기수행 유사과제 확인

(예시)