추가 적립 안내

산업 기술자에게 필요한 기본 개념과 원리를 설명하고 각 분야별 문헌과 연구 논문들 중에서 실무적 활용에 도움이 되는 지식과 기술들을 적절하게 추출하고 정리하여 집필한 입문서다. 수소 가치사슬 분야인 수소생산, 고압저장, 액화수소생산, 액화수소저장, 고압.액화수소 충전, 연료전지시스템, FC-ESS 하이브리드 시스템 및 수소연료전지선박에 관련된 중요 기술들을 한 권에 담아냈다.

하문근(전) 삼성중공업Fellow 부사장, 현) 스마트 그린에너지 조선해양 컨퍼런스 프로그램 위원장)
지구 온난화 대책으로 여러 국제기구에서 범정부적인 대책들이 쏟아져 나오고, 그중에서 가장 관심을 받고 있는 미래 대체 에너지가 수소라고 생각된다. 하지만, 수소를 에너지로 직접적으로 사용하기에는 많은 해결해야할 기술적 과제를 가지고 있다. 수소를 생산ㆍ저장ㆍ활용하는 과정에서 필요로 하는 에너지 사용으로부터 발생하는 탄소배출을 어떻게 해결할지도 플어야 할 화두라고 할 수 있다.
본 책의 저자 김병수 교수는 지구 온난화를 해결하는 한 수단으로 수소에너지 활용에 집중하여 2023년 5월 현재까지 발표된 수많은 수소 관련 문헌들을 수집하고, 수소생산단계부터 연료전지로 활용하는 단계까지 기술을 분류하고 정리하여 수소에너지 활용을 위한 핵심 기술들을 제시하고 있다.
제1장 수소생산시스템에서는 수소생산 공정과 생산에 소요되는 비용을 비교 분석하여, 현재 상황에서의 비교우위의 생산공정을 설명하고, 미래 주도적 공정에 대한 가능성을 설명하고 있다. 제2장 수소저장시스템에는 현재까지 활용되어 온 고압저장 방식과 극저온 액화저장 방식 및 물질저장 방식 등 5가지로 분류하고, 이동체의 연료로 저장하는 수단으로서 각 저장 방식의 장단점과 비용적인 측면의 비교분석을 통해 상용화를 위한 개선 포인트를 제시하고 있어, 연구개발의 방향을 설정하기에 매우 유용한 정보를 제공한다.
제3장에서 제6장까지는 수소저장시스템에 대해 자세히 설명하고 있는데, 우선 3장에서 현재 가장 많이 사용되고 있는 고압저장시스템의 기본적인 조건과 시스템의 구성을 상세하게 설명하고, 탱크의 안전한 운용을 위해 필요한 각종 장치와 그에 대한 사양을 설명하고 있다. 제4장에서는 경량화 측면에 장점을 가진 복합재료를 활용한 탱크의 설계ㆍ제작ㆍ인증에 대한 여러 가지 사례를 설명하고 있다. 제5장에서는 대용량 에너지를 필요로 하는 시스템을 위해 수소를 액화하는 공정과 플랜트 사례를 소개한다. 또한 각 공정의 시스템 구성도를 예시하고 특징을 설명하고 경제성을 논하고 있다. 제6장에서는 액화수소의 저장 방식과 핵심 단열재에 대한 여러가지 연구 결과들을 설명하고 있다. 구조 재료로서 STS강, AL합금강, Ti합금강 및 복합소재와 이를 적용한 여러 가지 연구 및 개발 사례를 분석 설명하고 있으며, 여러 가지 극저온 단열재와 단열 구조에 대한 단열성능도 확인할 수 있다.
제7장에서는 고압 또는 액화수소를 자동차, 버스 및 트럭과 같은 이동체의 연료로서 활용하는 경우, 연료를 공급하기 위한 충전소의 구성을 설명하고 있는데, 충전 시스템의 구성과 계통도, 운전조건, 충전 프로세스와 안전시스템을 사례를 들어 기술하고 있다. 실제 생활 속에서 수소를 연료로 사용하는데 고객들이 느끼는 수소의 누출과 폭발 위험으로부터, 안전하게 사용되기까지는 많은 리스크가 분석되고 검정되어야 한다. 이러한 측면에서 수소충전소의 시스템과 위치와 운용과정에 대한 국내와 유럽 미국의 규정과 표준에 대하여 논하고 있다. 마지막 8장은 연료전지와 수소연료전지선박에 대한 내용을 전개하고 있는데, LNG 또는 수소를 연료로 사용하는 연료전지에 대한 많은 연구가 있었고, 이를 활용하여 연료전지로 추진되는 선박에 대한 구성 시스템과 각종 필요 장치와 안전시스템에 대한 설명을 하고 있다.
저자는 2050탄소중립 혹은 완전한 탈탄소 대책으로 수소의 활용을 집중적으로 연구하고 있으며, 지금까지 세계 각국의 연구 개발된 방대한 논문과 보고서를 분석하고 정리하였다. 수소를 에너지로 활용하는데 대한 관심을 가진 동료, 후배 전문가들이 연구개발과 수소관련 사업 프로젝트를 수행함에 있어 본 저서를 통해 수소의 생산ㆍ저장ㆍ활용에 대한 올바른 연구방향을 설정하고 프로젝트를 진행하는데 큰 도움이 될 것으로 확신한다.

Chapter 1. 수소생산시스템
1.1 수소의 특성
1.1.1 수소의 물리적ㆍ화학적 특성
1.1.2 수소의 에너지 보유량
1.1.3 수소 취성(Embrittlement)
1.1.4 수소 누출
1.1.5 액화수소(Liquid Hydrogen)
1.1.6 가연성
1.1.7 가연성 희석재(Diluents) 및 억제재(Inhibitors)
1.2 수소 생산의 방식과 종류 및 청정에너지 분류
1.2.1 수소 생산의 방식과 종류
1.2.2 수소 생산 방식에 따른 청정에너지 분류
1.3 천연가스 수증기 개질(Steam Reforming)
1.3.1 사전 불순물 제거 공정 및 사전 수증기 개질 공정
1.3.2 수증기 개질(Steam Reforming) 공정
1.3.3 수성가스 전환ㆍ합성가스 열교환 냉각 공정ㆍCO₂ 포집 공정
1.3.4 수소 정제 공정(PSA, Pressure Swing Adsorption)
1.4 석탄 가스화(Coal Gasification)
1.4.1 미분탄 가공ㆍ건조 공정ㆍ산소 분리 공정
1.4.2 석탄 가스화 반응기ㆍ냉각 공정
1.4.3 수성가스 전환 공정ㆍ합성가스 열교환 냉각 공정ㆍ불순물 제거 공정ㆍCO₂ 분리ㆍ포집 공정
1.5 천연가스 수증기 개질ㆍ석탄 가스화의 탄소 포집ㆍ저장ㆍ재활용 시스템
1.5.1 탄소 포집(Carbon Capture) 방식의 종류
1.5.2 MEA(Mono-Ethanol Amine) 방식 탄소 포집 시스템
1.5.3 탄소 압축ㆍ제습 공정
1.5.4 탄소 운송
1.5.5 탄소 영구 저장
1.5.6 탄소 재활용
1.5.7 탄소 저장ㆍ재활용 프로젝트 현황
1.6 물 전기분해(Water Electrolysis)
1.6.1 알칼라인(Alkaline) 방식
1.6.2 PEM(Proton Exchange Membrane, 고분자 전해질막) 방식
1.6.3 SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell, 고체 산화물) 방식
1.6.4 물 전기분해 방식별 장단점
1.6.5 태양광 및 풍력 발전 등 신재생에너지와 연계한 그린수소 생산시스템
1.7 원자력
1.7.1 SI(Sulfur-Iodine) 방식
1.7.2 HyS(Hybrid-Sulphur 또는 황-전기분해 Hybrid) 방식
1.7.3 SOEC 방식
1.8 수소 생산 방식별 생산ㆍ저장ㆍ유통 원가 현황 및 2030년 예측
1.8.1 수소 생산 방식별 탄소 배출 및 생산원가 현황
1.8.2 수소 생산 원가의 경제성 확보 수준 분석
1.8.3 수소 생산 방식별 생산 원가 목표 및 2030년 예측
1.8.4 수소 저장ㆍ유통 비용 현황
1.8.5 수소 생산ㆍ저장ㆍ유통 원가 2030년 예측
Chapter 1. 참고문헌 및 표ㆍ그림 인용문헌


Chapter 2. 수소저장시스템의 종류 및 특성
2.1 수소에너지 저장 특성
2.1.1 수소 LHV 및 HHV
2.1.2 수소 에너지 보유량
2.2 수소저장시스템 성능 및 제조 원가 목표
2.2.1 수소저장시스템 기술 과제
2.2.2 수소저장시스템 성능 및 제조 원가 목표
2.3 수소저장시스템의 종류 및 특성
2.3.1 고압저장 방식
2.3.2 액화저장 방식
2.3.3 수소저장물질 저장 방식
2.3.4 금속수소화물 저장 방식
2.3.5 화학적 물질 저장 방식
2.3.6 흡착제 물질 저장 방식 : 금속유기골격체(MOFs, Metal Organic Frameworks)
2.4 수소저장시스템별 용량ㆍ성능ㆍ제조 원가ㆍ장단점 비교
2.4.1 수소저장시스템별 용량ㆍ성능ㆍ제조 원가 비교
2.4.2 수소저장시스템별 상용화 추진 현황
2.4.3 수소저장시스템별 장단점 비교
Chapter 2. 참고문헌 및 표ㆍ그림 인용문헌


Chapter 3. 고압수소 저장시스템
3.1 수소 압축 특성 및 고압수소저장시스템의 개념
3.1.1 수소 압축 특성
3.1.2 고압수소저장시스템 구성ㆍ충전 및 공급 프로세스 개념도
3.2 고압수소저장탱크의 종류 및 특성
3.2.1 고압수소저장탱크의 종류
3.2.2 고압수소저장탱크의 용도 및 특성
3.3 고압수소저장시스템 구성 장치의 종류 및 계통도
3.3.1 솔레노이드밸브(Solenoid Valve)
3.3.2 레귤레이터(Regulator, 압력조절장치)
3.3.3 온도감응식 압력배출장치(TPRD, Thermally Activate Pressure Relief Device)
3.3.4 과류방지밸브(EFV, Excess Flow Valve)
3.3.5 차단밸브(Shut-Off Valve)
3.3.6 체크밸브(Check Valve)
3.3.7 기타 장치
3.3.8 탱크 연결 밸브 패키지
3.3.9 자동차 고압수소저장시스템 계통도
3.4 고압수소저장시스템의 제조 원가 및 품질사고 분석
3.4.1 고압수소저장시스템 제조 원가 분석
3.4.2 고압수소저장시스템 품질사고 분석
3.5 고압수소저장시스템의 인증
3.5.1 국내 및 해외 인증 규정
3.5.2 국내 인증 법령 상세 내용
Chapter 3. 참고문헌 및 표ㆍ그림 인용문헌


Chapter 4. TYPE ⅢㆍⅣ 복합재 탱크 설계 제조ㆍ인증
4.1 TYPE ⅢㆍⅣ 복합재 탱크 설계
4.1.1 TYPE ⅢㆍⅣ 복합재 탱크 구성 품목
4.1.2 TYPE ⅢㆍⅣ 복합재 탱크 설계 프로세스
4.1.3 복합재 탱크 부피ㆍ중량 계산
4.1.4 복합재 탱크 강도ㆍ두께 계산
4.1.5 넷팅(Netting) 해석 및 복합재 탱크 와인딩(Winding) 설계
4.1.6 복합재 탱크 유한요소해석 모델링
4.1.7 복합재 탱크 파열 기준 이론(Failure Criteria Theory)
4.1.8 복합재 탱크 와인딩 상세 설계
4.1.9 복합재 탱크 와인딩 궤적(Winding Trajectory) 최적화
4.1.10 복합재 탱크 돔 보강 설계
4.1.11 복합재 탱크 유한요소해석
4.2 TYPE ⅢㆍⅣ 복합재 탱크 제조 공정
4.2.1 탄소섬유(Carbon Fiber)
4.2.2 수지(Resin)
4.2.3 필라멘트 와인딩(Filament Winding) 제조 공정
4.2.4 복합재 탱크 제조 공정
4.3 TYPE ⅢㆍⅣ 복합재 탱크의 국내 인증
4.3.1 해외 규격 인정
4.3.2 제조 기술 기준
4.3.3 설계 단계 검사
4.3.4 생산 단계 검사
Chapter 4. 참고문헌 및 표ㆍ그림 인용문헌


Chapter 5. 액화수소생산시스템
5.1 액화수소생산시스템 공정 기술
5.1.1 올소(Ortho)수소의 파라(Para)수소 변환 기술
5.1.2 린데-햄프톤(Linde-Hampton) 사이클
5.1.3 클로드(Claude) 사이클
5.1.4 콜린스(Collins) 사이클
5.1.5 헬륨-브레이튼(Helium-Brayton) 사이클
5.1.6 올소-파라수소 변환기(Ortho-Para Hydrogen Conversion Reactors)
5.2 액화수소생산플랜트 개발 및 기술 개발 방향
5.2.1 유럽 IDEALHY 대용량 액화수소생산플랜트 개발
5.2.2 LNG 냉열 활용 액화수소생산플랜트 개발 사례
5.2.3 소용량 액화수소생산공정 기술 개발
5.2.4 액화수소생산공정 기술 개발 방향
5.3 액화수소생산플랜트 구성 장치의 종류 및 특성
5.3.1 터보팽창기(Turbo Expander) 특성 및 설계
5.3.2 터보압축기(Turbo-Compressor)
5.3.3 플레이트핀 열교환기(Plate Fin Heat Exchanger) 특성 및 설계
5.3.4 콜드 박스(Cold Box)
Chapter 5. 참고문헌 및 표ㆍ그림 인용문헌

Chapter 6. 액화수소저장시스템
6.1 액화수소저장시스템 구성 장치의 종류 및 특성
6.1.1 액화수소저장시스템 구성 장치 및 계통도
6.1.2 압력배출밸브ㆍ파열 디스크 등 수소 배출 장치 및 환기 장치
6.1.3 진공 펌프(Vacuum Pump)
6.1.4 이중 구조 진공 단열(Double Wall Vacuum Insulation) 배관시스템
6.2 액화수소저장탱크 구조 재료의 종류 및 특성
6.2.1 스테인리스강(Stainless Steels)
6.2.2 알루미늄 합금강(Aluminum Alloys)
6.2.3 티타늄 합금강(Titanium Alloys)
6.2.4 탄소섬유 복합재(CFRP, Carbon Fiber Reinforced Plastics)
6.2.5 구조 재료 열전도율 비교
6.3 액화수소저장탱크 단열시스템
6.3.1 탱크 내부 기화 현상 및 온도 상승
6.3.2 이중 구조 진공 단열(Double Wall Vacuum Insulation) 시스템
6.3.3 기화 가스 냉열 차폐(VCS, Vapor Cooled Shield) 시스템
6.3.4 IRAS(Integrated Refrigeration and Storage) 시스템
6.4 극저온 단열재의 종류 및 특성
6.4.1 단열 성능 주요 지표
6.4.2 폴리우레탄폼(Polyurethane Foams)
6.4.3 팽창 펄라이트(Expanded Perlite) 및 글라스 버블(Glass Bubble)
6.4.4 에어로젤(Aerogel)
6.4.5 MLI(Multilayer Insulation, 다층 단열재)
6.4.6 LCI(Layered Composite Insulation)
6.4.7 IMLI(Integrated Multilayer Insulation)ㆍLRMLI(Load Responsive Multilayer Insulation)
6.4.8 NICS(Non-Interlayer Contact Spacer) 및 LB(Load Bearing)-NICS MLI
6.4.9 극저온 단열재의 단열 성능 종합 비교
6.5 액화수소저장탱크의 복합 단열시스템
6.5.1 MLI+VCS 결합 단열시스템
6.5.2 SOFI+MLI+VCS 복합 단열시스템
6.6 액화수소저장탱크의 설계 및 개발 사례
6.6.1 탱크 응력ㆍ두께 계산 및 ASME 계산식
6.6.2 MLI 열전달 계산식
6.6.3 MLI 열전달 모델 : 매킨토시(Mcintosh)ㆍ수정 록히드(Modified Lockheed) 모델
6.6.4 MLI 레이어 밀도 및 레이어 수의 최적화
6.6.5 초저온장치 단열재 설계 사례
6.6.6 미국 나사의 극저온 단열시스템 5가지 설계 사례
6.6.7 항공기 액화수소저장탱크 개념 설계 사례
6.7 액화수소저장시스템 관련 국제 표준
6.7.1 액화수소 관련 ISO 표준
6.7.2 극저온 관련 ISO 표준
6.7.3 국가별 표준 및 코드 현황
Chapter 6. 참고문헌 및 표ㆍ그림 인용문헌


Chapter 7. 수소충전시스템
7.1 고압수소충전시스템
7.1.1 고압수소충전시스템의 운전 조건ㆍ레이아웃ㆍ충전 프로세스
7.1.2 고압수소충전시스템의 계통도ㆍ구성장치ㆍ안전시스템
7.1.3 이동식 고압수소충전시스템의 계통도ㆍ구성장치ㆍ안전시스템
7.1.4 고압수소 충전 프로토콜 SAE J2601
7.1.5 압축기(Compressor)
7.1.6 사전 냉각시스템(Pre-Cooling System)
7.1.7 디스펜서(Dispenser)
7.2 액화수소 기반 고압수소충전시스템
7.2.1 트레일러를 통한 액화수소의 공급
7.2.2 액화수소 기반 고압수소충전소 계통도ㆍ구성장치ㆍ안전시스템
7.2.3 이동식 액화수소 기반 고압수소충전소의 개념 설계 개발 사례
7.2.4 극저온 압력 펌프(Cryogenic Pressure Pump)
7.3 액화수소충전시스템
7.3.1 액화수소충전시스템 계통도
7.3.2 과냉각 액화수소 충전(Subcooled Liquid Hydrogen Fuelling) 프로세스
7.3.3 액화수소 충전 디스펜서 및 노즐
7.4 고압ㆍ액화수소충전소의 충전 비용 분석
7.4.1 고압ㆍ액화수소충전소의 건설 투자비
7.4.2 수소충전소 충전 비용 분석
7.5 수소충전소 사고ㆍ폭발 위험 평가
7.5.1 수소 제트 화염(Jet Flame) 특성
7.5.2 수소관련 주요 사고 분석
7.5.3 수소충전소 위험 평가(Risk Assessment) 방법
7.5.4 수소충전소 안전 이격 거리(Safety Separation Distances) 분석
7.5.5 수소충전소 위험 평가 연구 사례
7.6 수소충전시스템 관련 국내 및 해외 표준
7.6.1 ISOㆍIEC 국제 표준
7.6.2 CEN(EN)ㆍEIGA(IGC) 유럽 표준
7.6.3 미국 CGA 표준
7.6.4 미국 NFPAㆍSAEㆍASME 표준
7.6.5 캐나다 CSA 표준
7.6.6 우리나라 규정 및 KGS 표준
Chapter 7. 참고문헌 및 표ㆍ그림 인용문헌


Chapter 8. 수소연료전지선박
8.1 수소연료전지선박 개요 및 제약 조건
8.1.1 수소연료전지선박 개요
8.1.2 FC-ESS 하이브리드 전기추진시스템 개요
8.1.3 수소연료전지선박의 제약 조건
8.2 수소연료전지선박 개발 사례
8.2.1 FellowSHIP 프로젝트
8.2.2 Nemo H2 프로젝트
8.2.3 ZEMSHIP(Zero Emission Ship) 프로젝트
8.2.4 MF Hydra 프로젝트
8.2.5 Water-Go-Round 프로젝트
8.2.6 Kawasaki 액화수소운반선
8.3 연료전지 이론적 특성 및 종류
8.3.1 연료전지 작동 원리 및 전류 발생 특성
8.3.2 연료전지 성능과 효율
8.3.3 연료전지의 종류 및 특성
8.4 연료전지 종류별 선박 적용 방향
8.4.1 세계 연료전지 종류별 시장 점유율
8.4.2 연료전지 종류별 선박 적용 방향
8.5 PEMFC 시스템
8.5.1 PEMFC 시스템 구성 장치 종류 및 특성
8.5.2 PEMFC 스택
8.5.3 PEMFC 운전시스템(BOP)
8.5.4 PEMFC 시스템 사양 및 성능 비교
8.5.5 PEMFC 시스템 제조 원가 분석(전력변환장치 제외)
8.6 SOFC 시스템
8.6.1 SOFC 시스템 구성 장치 종류 및 특성
8.6.2 SOFC 스택
8.6.3 SOFC 운전시스템(BOP)
8.6.4 SOFC 최적 운전 조건과 SOFC 하이브리드 시스템 개발 사례
8.6.5 미국 에너지부 SOFC 열병합발전시스템 총원가 분석
8.7 선박 FC-ESS 하이브리드 시스템
8.7.1 에너지저장시스템(ESS)
8.7.2 선박 FC-ESS 하이브리드 시스템의 전력 계통 종류 및 특성
8.7.3 선박 FC-ESS 하이브리드 시스템의 에너지관리시스템(EMS)
8.7.4 선박 FC-ESS 하이브리드시스템 개발 사례
8.8 수소연료전지선박과 디젤ㆍLNG 연료 선박의 수명주기 총원가 분석
8.8.1 미국 아르곤 국립연구소의 수명주기 총원가 분석
8.8.2 노르웨이 고속 여객선의 수명주기 총원가 분석
8.9 수소연료전지선박 기본 설계 개발 사례
8.9.1 미국 샌디아 국립 연구소 SRV 프로젝트
8.9.2 미국 샌디아 국립 연구소 ZERO-V 프로젝트
8.10 수소연료전지선박 관련 국제표준
8.10.1 IMO 연료전지시스템 설치 잠정 가이드 라인(2020) 주요 내용
8.10.2 국제 선급협회 표준
8.10.3 ISOㆍIECㆍNFPAㆍSAEㆍIEEㆍUL 국제 표준
8.10.4 우리나라 규정 및 표준
Chapter 8. 참고문헌 및 표ㆍ그림 인용문헌

찾아보기

서문

지구 온난화를 해결하기 위한 핵심 에너지로서 수소가 부각되고 있다. 국제에너지기구인 IEA는 2050년에 탄소배출을 제로화하는 계획인 ’2050 Net Zero 로드맵‘을 발표하였다. 수소에너지가 2050년 세계 에너지 수요의 13%, 운송 분야에서 연료 소비량의 60%까지 수소가 담당해야 하며 수소 활용이 매우 중요하다고 밝혔다. 자동차, 버스, 트럭, 열차 및 선박 등에서 수소 연료 사용이 확대될 전망이다.
이러한 시대적 흐름에서 수소에 대한 산업ㆍ경제시스템을 구축하려는 시도가 유럽을 중심으로 활발히 추진 중이다. 전력산업, 운송산업, 철강ㆍ화학ㆍ기계산업 및 기타 산업에 필요한 청정에너지 수요에 수소 공급을 확대시키고, 수소를 친환경적으로 생산, 저장, 운송 및 충전시키는 각종 산업 및 경제시스템이 미래 유망산업으로 대두되고 있다.
저자는 부산대 수소선박기술센터의 친환경 수소연료선박 R&D 플랫폼 구축사업과 해양 부유쓰레기 수거ㆍ처리용 친환경선박 건조ㆍ실증사업에 산학협력초빙교수로 과제 기획과 실행에 참여하였다. 이러한 국책과제들을 추진하면서 수소의 생산, 저장, 액화, 충전 및 수소연료전지선박 등에 관련된 실무 지식과 기술 학습이 필요하였으며 각종 기술 논문들을 찾기 시작하였다. 그러나 아쉽게도 산업 현장에서 실무적으로 필요한 내용을 정리하여 제시하고 있는 것은 많지 않았다. 본 책의 내용에 대한 저서의 필요성을 절감하였으며, 수소선박기술센터를 그만두면서 저술을 시작할 기회를 얻었다.
본 책을 저술하면서 중점을 두고 작성한 기본 원칙은 산업 기술자에게 필요한 기본 개념과 원리를 설명하고 각 분야별 문헌과 연구 논문들 중에서 실무적 활용에 도움이 되는 지식과 기술들을 적절하게 추출하고 정리하여 이 분야에 대한 입문서를 만드는 것이다. 수소 가치사슬 분야인 수소생산, 고압저장, 액화수소생산, 액화수소저장, 고압ㆍ액화수소 충전, 연료전지시스템, FC-ESS 하이브리드 시스템 및 수소연료전지선박에 관련된 중요 기술들을 책 한 권에 담아내고자 노력하였다.
1장 수소생산시스템에서 수증기 개질, 석탄 가스화, 전기분해 및 원자력에 의한 생산 방식의 개념과 공정, 방식별 원가 분석 및 2030년 수소생산ㆍ저장ㆍ유통 원가 예측을 정리한다. 특히 수증기 개질에서 개질기와 수성가스ㆍ합성가스ㆍ수소정제 공정 및 탄소 포집과 저장과 재활용을 설명하며, 전기분해에서 알칼라인과 PEM 및 SOEC의 방식을, 원자력에서 SI 공정과 HyS 공정 및 SOEC 공정에 대해 기술한다.
2장 수소저장시스템에서 성능 및 제조 원가 목표를 제시하고 고압 및 액화저장, 금속수소화물, 화학적 물질 및 흡착제 물질 등의 저장 종류, 특성 및 공정을 설명하고, 시스템별 용량ㆍ성능ㆍ제조 원가를 비교하며 상용화 추진 현황과 장단점 비교를 종합적으로 정리한다. 특히 금속수소화물의 수소화붕소ㆍ마그네슘계ㆍ알루미늄계와 화학적 물질의 암모니아보란 및 흡착제의 금속유기골격체에 대한 수소 흡수 및 방출에 대한 공정의 장단점 및 상용화하기 위한 조건들과 나타낸다.
3장 고압수소저장시스템에서 수소압축특성, 계통도와 구성 장치 종류 및 특성, 제조 원가, 품질사고 분석 및 인증 내용에 대해 나타낸다. TypeⅠ, TypeⅡ, TypeⅢ 및 TypeⅣ의 종류별 용도와 성능 및 특성과 수소 충전ㆍ공급을 위한 솔레노이드밸브, 레귤레이터, 압력배출장치, 과류방지밸브, 차단밸브, 체크밸브 및 탱크 연결 패키지 등을 설명한다. 계통도에 들어가는 구성품 목록, 사양 및 수량을 표시하고, 제조 원가 비교와 품질 사고 유형을 분석하여 기술한다.
4장 TYPE ⅢㆍⅣ 복합재 탱크 설계ㆍ제조ㆍ인증에서 탱크 설계와 제조 공정 및 국내 인증에 대해 기술적으로 상세히 설명한다. 복합재 탱크는 수명 15년 동안 내구성을 가지도록 설계되어야 한다. 복합재 와인딩 설계를 위한 유한요소해석 모델링, 파열 예측 기준, 와인딩 설계 사례, 와인딩 궤적 최적화 및 돔 부위 다층 순서 적층 시뮬레이션에 대해 정리한다. 350 bar 및 700 bar 복합재 탱크에 대한 원가 절감, 경량화 및 와인딩 사양 등 최적화 설계 연구 사례들과 복합재 탱크를 제조하기 위한 탄소섬유 및 수지 특성과 습식 필라멘트 와인딩 및 토우프리프레그 와인딩 제조 방식에 대한 공정 개념 및 운전 조건과 다중 필라멘트 와인더와 멀티 스핀들에 대해서도 기술한다.
5장 액화수소생산시스템에서 액화 공정 계통도와 기술의 종류 및 특성, 개발 플랜트 및 기술 개발 방향, 터보팽창기, 터보압축기, 플레이트핀 열교환기 및 콜드 박스 등 구성 장치 종류 및 특성에 대해 기술한다. 특히 등엔트로피 효율, 소요 마력 계산 및 출구 압력 계산을 통해 터보팽창기 및 터보압축기 휠 회전 속도 및 직경을 계산하는 수식과 사례 및 플레이트핀 열교환기에서 열전달 및 압력 강하 성능 계산에 필요한 수식에 대해 정리하고, 핀 타입, 핀 치수 및 형상 등을 계산하여 열교환기 용량을 줄이는 핀 형상 설계 최적화 사례 및 열교환기 크기 설계 사례에 대해 기술한다.
6장 액화수소저장시스템에서 계통도와 구성 장치 종류 및 특성, 단열시스템, 극저온 단열재 종류 및 특성, 탱크 복합 단열시스템 개발 및 액화수소저장탱크 설계 사례를 기술한다. 극저온 구조 재료의 종류 및 극저온 강도 특성과 미국 및 유럽 우주국에서 개발한 진공 구조 단열시스템과 극저온 단열재의 종류별 특성과 열전도율 성능 비교 및 장단점을 나타낸다. 특히 MLI 다층 단열재의 열전달 모델 계산식과 MLI 최적 레이어 수와 두께를 계산하는 것도 기술한다. 초저온장치 단열재 설계 사례에서 단열재 선정과 총열전달량 계산하여 사양을 결정하는 프로세스와 항공기 액화수소저장탱크 개념 설계 사례에서 탱크 용량, 형상 결정, 단열재인 폴리우레탄폼 두께 계산 및 탱크 구조 두께 계산 결과를 설명한다.
7장 수소충전시스템에서 충전소의 레이아웃, 충전 공정과 계통도, 안전시스템, 충전 비용 분석 및 사고ㆍ폭발 위험 평가 방법과 사례를 나타낸다. 특히 고압충전, 액화수소기반 고압충전 및 액화수소충전과 고압수소 충전프로토콜인 SAE J2601 및 액화수소 충전 프로토콜인 과냉각 액화수소충전 방식에 대해 기술한다. 충전소의 압축기 종류별 특성 및 장단점, 냉각 장치, 디스펜서, 노즐, 호스 및 통신 장치에 대해 나타낸다. HAZID, HAZOP, FMEA, 빈도 분석 및 QRA 등의 위험 평가 방식, HyRAM의 위험 평가 소프트웨어, 수소 제트 화염 특성 연구 결과, 안전 이격거리 데이터와 우리나라, 일본 및 미국 등의 수소충전소 사고 유형 분석 및 위험 평가 연구 사례도 제시한다.
8장 수소연료전지선박에서 선박 개발 사례를 간략하게 나타내고 연료전지의 이론적 특성 및 종류, 연료전지 종류별 선박 적용 방향, PEMFC 및 SOFC 등 연료전지시스템에 대해 상세히 기술하고 선박에서 연료전지와 배터리를 같이 적용하는 FC-ESS 하이브리드 시스템과 선박 건조 및 운항 원가 비교와 선박 기본 설계 개발 사례를 나타낸다. 특히 연료전지에 대한 작동 원리, 성능과 효율에 대한 이론과 수식, 연료전지의 활성화, 저항 및 농도 손실들을 설명하므로 연료전지에 대한 이론적 개념과 원리를 이해시킨다. 연료전지의 6개 종류에 대한 특성과 장단점을 비교하고 향후 선박에 적용할 유망한 연료전지로 PEMFC 시스템과 SOFC 시스템을 제시한다.
PEMFC 시스템 및 SOFC 시스템에 대한 스택과 운전시스템의 계통도와 구성 장치 종류 및 특성을 각각 상세히 설명한다. 특히 스택에 대한 전해질, 연료극, 공기극, 촉매층, 가스 확산층 및 연료 공급의 유동장 패턴 등 핵심 구성 부품들의 재료와 반응 내용과 성능 특성들에 대해 기술한다. 압축기, 냉각기, 열교환기, 탈황 장치 및 개질기 등 스택 작동에 필요한 운전 장치들에 대해 나타낸다.
FC-ESS 하이브리드 시스템의 배터리의 종류 및 충ㆍ방전 특성과 전력 계통 특성 및 에너지관리시스템의 최적화 제어로직에 대해 설명한다. 수소연료전지선박 수명주기 균등화 총원가 분석 연구 사례와 수소연료전지선박 2개 사례에 대한 기본 설계 내용을 정리하여 나타낸다. 수소 누출과 폭발 위험 지역을 지정하고 위험을 어떻게 안전한 수준까지 완화시킬 것인가에 대해 설명한다.
3장, 4장, 6장, 7장 및 8장의 마지막 부분은 각 장 내용에 해당되는 국내 및 해외 인증 규정 또는 국내 및 해외 표준들을 정리하여 나타낸다.
저자는 이 책을 저술하면서 약 4,000 개의 논문을 검토하였으며 그 중에 약 900 개의 문헌을 인용하여 작성하였다. 많은 논문 저자들에게 감사드린다. 책에서 다루는 기술적 범위가 넓어 저자 혼자서 저술한다는 것은 부끄럽지만 역부족이다고 말하지 않을 수 없다. 책의 내용에 다수의 오류 및 잘못이 발견될 수도 있다는 것을 인식하고 있다. 넓은 아량으로 배려해주시길 바란다.