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[국내논문] 삼중수소 저장을 위한 ZrCo 저장재에서의 수소 흡장에 대한 수치해석적 연구 (I)
A Numerical Investigation of Hydrogen Absorption Reaction Based on ZrCo for Tritium Storage (I) 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.23 no.5, 2012년, pp.448 - 454  

유하늘 (인하대학교 기계공학과) ,  윤세훈 (국가핵융합연구소) ,  장민호 (국가핵융합연구소) ,  강현구 (국가핵융합연구소) ,  주현철 (인하대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, a three-dimensional hydrogen absorption model is applied to a thin double-layered annulus ZrCo hydride bed and validated against the temperature evolution data measured by Kang et al. The present model reasonably captures the bed temperature evolution behavior and the 99% hydrogen cha...

Keyword

#지르코늄코발트 금속수소화물   #수소흡장   #열전달   #수소저장   #수치시뮬레이션  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 수소 흡장 시 나타나는 주요 열 및 물질전달 매커니즘을 고려하여 ZrCo 기반 금속수소화물에서의 수소 흡장 모델을 개발하였다. 개발된 모델을 Kang 등1)에 의해 측정된 실험데이터와 비교/분석함으로써 모델의 정확성을 검증하였다.
  • 개발된 모델을 Kang 등1)에 의해 측정된 실험데이터와 비교/분석함으로써 모델의 정확성을 검증하였다. 본 연구는 수소 흡장 시 나타나는 주요 열 및 물질전달현상을 예측함으로써 수소 흡장반응에 대한 이해를 돕고 용기형상의 설계 및 최적의 작동조건 도출에 기여할 것으로 예상된다.
  • 본 연구에서는 개발된 수소 흡장 모델을 ZrCo 기반의 수소저장용기에 적용하였고 수소 흡장 시 용기 내부의 열 및 물질전달 특성연구를 위하여 시뮬레이션을 수행하였다. ZrCo 수소 흡장 반응식을 식 (12)에 나타내었다.
  • 본 연구에서는 금속수소화물에서 수소 흡･탈장 반응 시 일어나는 열 및 물질전달 현상을 상세히 규명하기 위하여 3차원 수소 흡장 모델을 개발하였다. 개발된 모델은 ZrCo 금속수소화물에 적용되어 수소 흡장 시 Kang 등1)에 의해 측정된 용기 내부의 온도와 비교, 분석을 통해 모델의 정확성을 검증하였다.

가설 설정

  • (1) 수소는 이상기체로 가정함.
  • (2) 용기 내의 금속수소화물은 동종 다공성 미디어로 가정함.
  • 초기 수소저장용기의 온도, 압력은 열역학적 평형을 이루고 있다고 가정하여 초기 조건을 결정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ZrCo을 삼중수소를 저장하기 위해 사용하는 것의 장단점은? 이러한 삼중수소를 안전하게 저장하기 위해 ZrCo나 감손우라늄과 같은 금속수소화물을 이용한다. ZrCo는 감손우라늄에 비해 느린 흡･탈장 시간을 갖고 있지만 공기와 반응 시 발화 안정성 및 화학적 반응성이 적은 이유로 사용되고 있다. 삼중수소를 이용한 연구는 삼중수소의 사용량 및 공간적인 제약이 많이 따르기 때문에 대부분의 연구에서는 보다 효율적이고 빠른 흡장 및 탈장을 위하여 삼중수소를 대신하여 저장 특성이 비슷한 수소를 이용한다3-5).
수소 흡･탈장 시 나타나는 현상에 대한 선행 연구들은 무엇이 있는가? 이러한 수소 흡･탈장 시 나타나는 현상에 대한 이해를 돕기 위하여 많은 이론적 연구가 진행되어 왔다. Nam 등6)은 LaNi5 기반 금속수소화물에서 수소 흡장 시 평형압력을 온도만의 함수로 정의하였을 때와 온도와 H/M 원자비(atomic ratio)로 정의하였을 때를 비교하였고 육면체 형상에서 종횡비에 따른 흡장성능을 비교/분석하였다. 또한 Mellouli 등7)은 수소 흡장 시 효과적인 냉각을 위하여 나선형튜브를 사용한 4가지 타입의 열교환기를 제안하였고 각 열교환기 타입에 따른 수소 흡장 성능을 비교/분석하였다. Wang 등8)등은 기존 형상들과는 다르게 원통형 형상을 사용하지 않고 고리형상(annulus type)의 저장용기를 이용하여 수소의 흡･탈장 성능을 예측하였다. 이와 같이 금속수소화물의 수소 흡･탈장 성능은 용기의 형상6,8), 열교환 방식7)과 같은 디자인에 의한 영향뿐만이 아니라 입･출구 압력 및 온도와 같은 작동조건6)에 의한 영향도 받기 때문에 많은 이론적 연구가 선행되어 왔다. 하지만 이러한 이론적 연구의 대부분은 일반적인 수소저장을 목적으로 하는 LaNi5나 Mg을 이용한 연구로 삼중수소를 저장하기 위한 ZrCo를 이용한 이론적 연구는 진행되지 않았다.
삼중수소의 특징은? 삼중수소는 수소의 동위원소로 핵융합 발전의 연료로 사용되고 있다. 삼중수소는 수소에 중성자가 2개가 추가되어 이루어져 있기 때문에 상대적으로 불안정하여 방사선붕괴를 하는 특징을 갖고 있다. 이러한 삼중수소를 안전하게 저장하기 위해 ZrCo나 감손우라늄과 같은 금속수소화물을 이용한다.
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참고문헌 (9)

  1. H. G. Kang, S. Cho, M. K. Lee, S. H. Yun, M. H. Chang, H. Chung, D. S. Koo, K. M. Song and D. Kim, "Fabrication and test of thin double-layered annulus metal hydride bed", Fusion Engineering and Design, Vol. 86, 2011, pp. 2196-2199. 

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  2. S. Konishi, T. Nagasaki and K. Okuno, "Reversible disproportionation of ZrCo under high temperature and hydrogen pressure", J. Nuclear Materials, Vol. 223, 1995, pp. 294-299. 

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  3. H. Chung, D. Chung, D. Koo, J. Lee, M. Shim, S. Cho, K. Jung, S. Yun, "Storage and Delivery of Hydrogen Isotopes", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 22, No. 3, 2011, pp. 372-379. 

  4. D. Koo, D. Jung, D. Jeong, H. Chung, S. Cho, M. Chang, S. Yun, H. Kang, K. Song, "Fabrication & Inspection of a Rectangular Type-Bed for Tritium Storage", Applied Chemistry, Vol. 14, No. 1, 2010, pp. 89-92. 

  5. M. Shim, H. Chung, K. Kim, H. Yoshida, S. Cho, D. Kim and M. Ahn, "Heat analysis on the initial reference design of ZrCo hydride beds for ITER", Fusion Engineering and Design, Vol. 83, 2008, pp. 1433-1437. 

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  6. J. Nam, J. Ko, H. Ju, "Three-dimensional modeling and simulation of the hydrogen absorption in metal hydride hydrogen storage vessels", Applied Energy, Vol. 89, No. 1, 2012, pp. 164-175. 

    상세보기 crossref

  7. S. Mellouli, F. Askri, H. Dhaou, A. Jemni and S. Ben Nasrallah, "Numerical simulation of heat and mass transfer in metal hydride hydrogen storage tanks for fuel cell vehicles", Vol. 35, 2010, pp. 1693-1705. 

    상세보기 crossref

  8. Y. Wang, F. Yang, X. Meng, Q. Gou, Z. Zhang, I. S. Park, S. Kim and K. J. Kim, "Simulation study on the reaction process based single stage metal hydride thermal compressor", Vol. 35, 2010, pp. 321-328. 

    상세보기 crossref

  9. J. Nam, K. Kang, H. Ju, "Numerical Study of Hydrogen Absorption in a Metal Hydride Hydrogen Storage Vessel", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 21, No. 4, 2010, pp. 249-257. 

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