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문제 정의
- 본 논문에 다룰 주요 내용은 선행 논문1)에서 개발된 3차원 수소 저장(absorption)모델을 기반으로 수소 방출(desorption)시 일어나는 주요 물리/화학적 현상들을 연구/분석하여 3차원 수소 방출 해석모델을 개발하고 실험데이터와 비교/분석을 통해 개발된 모델을 검증하는 것이다. 지금까지 수소 방출 해석 연구는 많이 이루어진 반면 저장모델개발을 통한 이론 연구는 상대적으로 적었다.
- 본 논문에서는 기존에 수행된 선행 연구들을 바탕으로, 수소 방출 시 금속수소화물 수소저장용기 내부에서 일어나는 주요 화학 반응, 열 및 물질전달 메커니즘 등을 고려해 개발된 3차원 금속수소화물 수소 방출모델을 소개한다. 본 방출모델에서는 기존의 해석모델에서 간과되었던 대류효과와 평형압력의 원자수 비율(hydrogen-metal ratio) 영향성이 새로이 고려되었다.
- 본 연구에서 개발된 수소방출모델은 LaNi5합금 소재 수소 저장용기에 적용되어 수소방출반응 시 용기 내부의 열 및 물질전달 특성 연구를 위한 시뮬레이션을 수행하였다.
- 본 연구에서는 금속수소화물의 수소 방전 시 일어나는 핵심 현상을 보다 상세히 연구하기 위해 3차원 수소 방출모델이 개발되었다. 개발된 수소 방출 3차원 모델은 원통형 LaNi5 수소저장용기에 적용되어 실제 측정된 실험데이터와 비교를 통해 그 정확성이 입증되었다.
가설 설정
- ① 수소는 이상기체임.
- ② 수소저장 금속용기는 동종 다공성 미디어로 가정함.
- ③ 금속수소화물과 기체 수소기체 사이에는 국부적 온도평형 존재함.
- 그러므로 금속의 다공도 및 기체투과도(gas permeability)는 수소저장농도와 무관함. 또한 금속의 열전도도도 수소저장농도와 무관하다고 가정함.
- 그들은 열교환기 성능 향상을 통해 저장용기의 수소 충ㆍ방전 시간을 현격하게 줄일 수 있음을 시뮬레이션을 통해 설명하였다. 비록 수소 방출 이론 연구를 수행한 선행논문이 소수 있지만 기존의 수소방출모델에서는 금속수소화물 용기 내 대류(convection)효과를 무시했거나4), 수소방출 평형압력을 온도만의 함수로 가정하였다3).
- 비열 cp와 열전도도 k는 상수로 가정하고 기체 밀도인 ρg는 이상기체 방정식을 적용하였으며 다음과 같이 표현된다.
- Dhaou2)등은 수소 방출 및 저장모델을 개발하여 LaNi5 수소저장 용기에 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 수소 저장 및 방출 시 시간에 따른 온도변화를 측정하여 시뮬레이션 결과와 비교하였는데 수소저장용기와 외부의 열전달계수를 보정계수로 가정하였다. Chung3)등은 수소 저장용기 내에 순수 수소로만 채워져 있는 팽창지역(expansion volume)을 추가적으로 고려하여 팽창지역이 수소 저장 및 방출에 미치는 영향성을 2차원 시뮬레이션을 통하여 분석하였다.
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