[논문]대용량 액체 수소 저장탱크를 위한 다층단열재의 단열성능 분석

김경호; 신동환; 김용찬; 강상우

doi:10.7316/khnes.2016.27.6.642

대용량 액체 수소 저장탱크를 위한 다층단열재의 단열성능 분석
Adiabatic Performance of Layered Insulating Materials for Bulk LH2 Storage Tanks 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.6, 2016년, pp.642 - 650

김경호 (고려대학교 기계공학과 대학원) , 신동환 (한국과학기술연구원 도시에너지연구단) , 김용찬 (고려대학교 기계공학과) , 강상우 (한국과학기술연구원 도시에너지연구단)

Abstract ▼ AI-Helper

One of the most feasible solution for reducing the excessive energy consumption and carbon dioxide emission is usage of more efficient fuel such as hydrogen. As is well known, there are three viable technologies for storing hydrogen fuel: compressed gas, metal hydride absorption, and cryogenic liquid. In these technologies, the storage for liquid hydrogen has better energy density by weight than other storage methods. However, the cryogenic liquid storage has a significant disadvantage of boiling losses. That is, high performance of thermal insulation systems must be studied for reducing the boiling losses. This paper presents an experimental study on the effective thermal conductivities of the composite layered insulation with aerogel blankets($Cryogel^{(R)}$ Z and $Pyrogel^{(R)}$ XT-E) and Multi-layer insulation(MLI). The aerogel blankets are known as high porous materials and the good insulators within a soft vacuum range($10^{-3}{\sim}1$ Torr). Also, MLI is known as the best insulator within a high vacuum range(<$10^{-6}{\sim}10^{-3}$ Torr). A vertical axial cryogenic experimental apparatus was designed to investigate the thermal performance of the composite layered insulators under cryogenic conditions as well as consist of a cold mass tank, a heat absorber, annular vacuum space, and an insulators space. The composite insulators were laminated in the insulator space that height was 50 mm. In this study, the effective thermal conductivities of the materials were evaluated by measuring boil-off rate of liquid nitrogen and liquid argon in the cold mass tank.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 대용량 액체 수소 저장탱크에 적용할 단열재로서 에어로젤 블랑켓을 선정하였으며, 중진공 이하(> 10-3 Torr)의 환경에서 단열성능을 실험적으로 분석하였다.
본 실험의 목적은 중진공 이하(> 10-3 Torr)의 환경에 대한 단열재의 단열성능을 분석하기 위함이다.
본 연구는 극저온 환경 및 진공압력의 변화에 따른 다층단열재의 유효 열전도도와 온도 분포 특성을 고찰하였다. 극저온 액체는 액체 질소와 액체 아르곤이며, 다층단열재를 통해 외부로부터 침투되는 열량만을 이용하여 다층단열재들의 단열성능을 분석하였다.

제안 방법

ASME PTC 19. 1-2005를 이용하여 실험에 대한 불확실도를 해석하였다¹²⁾. 전체 불확실도는 정밀 오차(precision error)와 편향 오차(bias error)로 구성되며 식 (4)와 같다.
실험 장치는 극저온 액체 저장탱크(cold mass tank), 열흡수부(heat absorber), 단열재 설치부(insulating materials space), 그리고 단열재 설치부와 연결된 환형 진공부(annual vacuum space)로 구성된다. 극저온 액체 저장탱크와 열 흡수부에 각각 동일한 극저온 액체를 채우며, 극저온 액체 저장탱크에서 기화되어 배출되는 기체 유량을 실험 장치 상부에 설치된 질량 유량계를 이용하여 측정하였다. 또한, 진공 압력계를 상부에 설치하여 단열재를 포함한 환형 진공부의 진공 압력을 측정하였다.
본 연구는 극저온 환경 및 진공압력의 변화에 따른 다층단열재의 유효 열전도도와 온도 분포 특성을 고찰하였다. 극저온 액체는 액체 질소와 액체 아르곤이며, 다층단열재를 통해 외부로부터 침투되는 열량만을 이용하여 다층단열재들의 단열성능을 분석하였다.
단, 동일한 조건을 위하여 Pyrogel® XT-E에 대해서만 액체 질소 및 액체 아르곤을 적용하여 유효 열전도도를 비교하였다.
따라서 단열재 설치부 및 환형 진공부의 초기 진공압력을 10-2 Torr로 도달시켜 실험을 진행하였으며, 이후 진공도를 낮추기 위한 기체 질소(residual gas)를 단열재 설치부 및 환형 진공부에 주입하여 10-2 Torr를 포함한 10-1 , 100 , 101 , 102 , 7.6×102 Torr의 경우에 대하여 실험을 진행하였다.
따라서 본 실험은 중진공 이하의 환경에서 Cryogel® Z와 Pyrogel® XT-E로 구성한 다층단열재 및 소량의 MLI를 Pyrogel® XT-E에 적층하여 구성한 복합 다층 단열재에 대하여 유효 열전도도 및 온도 분포도를 비교 및 분석하였다.
따라서 본 연구는 대용량 액체 수소 저장탱크에 적용할 단열재로서 에어로젤 블랑켓을 선정하였으며, 중진공 이하(> 10^-3 Torr)의 환경에서 단열성능을 실험적으로 분석하였다. 또한, 에어로젤 블랑켓을 MLI와 적층하여 복합 다층단열재로서 단열성능을 비교 및 분석하였다.
극저온 액체 저장탱크와 열 흡수부에 각각 동일한 극저온 액체를 채우며, 극저온 액체 저장탱크에서 기화되어 배출되는 기체 유량을 실험 장치 상부에 설치된 질량 유량계를 이용하여 측정하였다. 또한, 진공 압력계를 상부에 설치하여 단열재를 포함한 환형 진공부의 진공 압력을 측정하였다. 각각의 측정된 신호는 데이터 수집 장치(midi-LOGGER GL820, GRAPHTEC Co.
온도 분포도에서 두께가 0 mm인 부분이 다층단열재가 증발량 흡수부와 인접하는 부분이며, 50 mm인 부분이 다층단열재의 하단부이다. 온도는 극저온 액체 저장탱크로부터 10 mm마다 온도센서를 설치하여 측정하였다.
정상 상태에서 극저온 액체 저장탱크 및 열 흡수부 내의 극저온 액체는 약 1시간 이상 유지되었으며, 극저온 액체 저장탱크에서 기화된 기체 질소의 질량 유량은 데이터 수집 장치에 각각의 실험 경우마다 2초 간격으로 40분간 기록하였다.
2 (b)는 단열재가 완전히 극저온 액체 저장탱크 및 열 흡수부 하단면에 고정되어, 최종적으로 외통과 조립하는 과정이다. 조립 이후, 단열재 설치부 및 환형 진공부에 남아 있는 수분 및 잔류 기체를 제거하기 위하여 퍼징(purging) 작업을 3회 실시하였다. 이때, 사용한 기체는 질소(GN₂)이며, 사용된 진공 펌프는 Table 4에 정리하였다.

대상 데이터

)이다. 그러나 작동 유체의 온도에 따른 단열재의 유효 열전도도 변화를 분석하기 위하여 액체 아르곤(LAr, 87K)도 본 실험에 사용하였다. 단, 동일한 조건을 위하여 Pyrogel^® XT-E에 대해서만 액체 질소 및 액체 아르곤을 적용하여 유효 열전도도를 비교하였다.
본 실험에서 사용한 Cryogel® Z와 Pyrogel® XT-E는 Silica(SiO2)와 polyester/fiber glass로 구성되며, 각각의 혼합비에 따라 사용 가능한 온도 범위가 구분된다8,9).
본 실험에서 사용한 단열재는 에어로젤 블랑켓(Cryogel® Z & Pyrogel® XT-E, Aspen Aerogels, Inc.)과 MLI(Lydall, Inc.)로서 물질 특성은 Table 1에 나타내었다.
1은 단열재의 수직 축방향에 대한 열전도도를 측정할 수 있는 실험 장치의 개요를 나타낸다. 실험 장치는 극저온 액체 저장탱크(cold mass tank), 열흡수부(heat absorber), 단열재 설치부(insulating materials space), 그리고 단열재 설치부와 연결된 환형 진공부(annual vacuum space)로 구성된다. 극저온 액체 저장탱크와 열 흡수부에 각각 동일한 극저온 액체를 채우며, 극저온 액체 저장탱크에서 기화되어 배출되는 기체 유량을 실험 장치 상부에 설치된 질량 유량계를 이용하여 측정하였다.
실험에 주로 사용한 작동 유체는 안전성을 위하여 비가연성 물질인 액체 질소(LN₂)이다. 그러나 작동 유체의 온도에 따른 단열재의 유효 열전도도 변화를 분석하기 위하여 액체 아르곤(LAr, 87K)도 본 실험에 사용하였다.

성능/효과

1) Cryogel® Z와 Pyrogel® XT-E는 진공도가 상승할수록 유효 열전도도 값이 감소하였으며, 전반적으로 Pyrogel® XT-E가 Cryogel® Z보다 우수한 단열 성능을 나타내었다.
2) 유효 열전도도는 기체에 대한 전도도를 내포하고 있다. 따라서 다공성 단열재인 에어로젤 블랑켓은 진공도에 따라 잠입되어 있던 기체분자의 비율이 감소하여 유효 열전도도 값이 감소하게 된다.
3) MLI와 Pyrogel® XT-E으로 구성된 복합 다층단열 재는 중진공 환경에서 일반 에어로젤 블랑켓만을 이용한 다층단열재보다 단열성능이 우수하였다.
4) 표준 끓는점(Normal Boiling Point, NBP)이 약 10K 정도 차이가 나는 액체 질소 및 액체 아르곤을 이용하여 유효 열전도도가 온도에 크게 영향받는다는 것을 분석하였다.
5) 본 논문에서 실험한 영역에 대한 유효 열전도도는 압력 및 온도에 비례하는 것을 확인하였다. 특히, 에어로젤 블랑켓과 같은 다공성 단열재의 단열성능을 판단하기 위해서는 유효 열전도도의 개념을 도입하는 것이 적합함을 확인하였다.
Cryogel® Z과 Pyrogel® XT-E로 구성된 각각의 다층단열재들은 진공도가 상승할수록 유효 열전도도 값이 감소하는 경향을 보였으며, Pyrogel® XT-E가 Cryogel® Z에 비해 단열성능이 우수하게 나타났다.
MLI를 Pyrogel® XT-E에 적층하여 구성한 복합 다층단열재는 중진공 영역에서 우수한 단열성능을 보여주었으나, 저진공 영역에서 유효 열전도도 값이 급격히 상승하였다.
단, 동일한 조건을 위하여 Pyrogel^® XT-E에 대해서만 액체 질소 및 액체 아르곤을 적용하여 유효 열전도도를 비교하였다. 각각의 극저온 액체는 실험 장치의 극저온 액체 저장탱크 및 열 흡수부에 대한 예냉 과정에서 약 20 ~ 25L가 소모되었으며, 소요 시간은 5시간 이상이다.
따라서 특수 단열 저장용기의 설계 및 단열 성능 연구가 선행되어야 한다. 둘째, 압축 기체 수소 저장은 현재 수소연료전지 자동차에 가장 많이 사용되는 방식으로 350 bar 혹은 700 bar의 내압을 견딜 수 있는 특수 내압 저장탱크에 압축된 기체 수소를 저장한다. 마지막으로 수소저장 합금은 금속 수화물(metal hydride)을 이용하여 수소 분자를 금속 분자 사이에 넣고 저장하는 방식이다.
또한, 액체 질소(77K) 및 액체 아르곤(87K)을 이용한 Pyrogel® XT-E의 유효 열전도도 산출 값은 액체 아르곤의 경우가 높게 나타났다.
진공도가 상승할수록 극저온 액체 저장탱크와 인접한 부분에서 온도 분포도의 기울기가 급격하게 나타났으며, 반대로 다층단열재의 하단부에 도달할수록 온도 분포도의 기울기가 완만하게 나타났다. 특히, 중진공 환경에서 MLI를 Pyrogel^® XT-E에 적층하여 구성한 복합 다층단열재가 극저온 액체 저장탱크와 인접하는 부분에서 급격한 온도 변화를 보여주고 있다.
일반적으로 수소는 액체 수소 저장, 압축 기체 수소 저장, 수소저장 합금으로 저장할 수 있다. 첫째, 대기압 상태의 기체 수소를 액화시켜 극저온용 특수 단열 저장용기 내 액체 수소(약 20.3K)로 저장이 가능하다. 따라서 특수 단열 저장용기의 설계 및 단열 성능 연구가 선행되어야 한다.
5) 본 논문에서 실험한 영역에 대한 유효 열전도도는 압력 및 온도에 비례하는 것을 확인하였다. 특히, 에어로젤 블랑켓과 같은 다공성 단열재의 단열성능을 판단하기 위해서는 유효 열전도도의 개념을 도입하는 것이 적합함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소 연료전지의 장점은?	이를 위해 최근 화석 연료가 아닌 청정 에너지원으로서 수소를 사용하는 연구가 부각되고 있다. 수소는 연료전지의 전기화학 반응에 의해 열과 전기를 생산할 수 있으며, 연소하여도 공해를 야기하지 않는 장점이 있다. 또한, 지구 표면의 약 70%를 차지하는 물을 전기분해하여 수소를 생산할 수 있으며, 에너지 공급 후 부산물이 물로서 재순환이 가능한 청정 에너지원이다.
	액체 수소 저장을 위해 어떤 연구가 선행되어야 하는가?	3K)로 저장이 가능하다. 따라서 특수 단열 저장용기의 설계 및 단열 성능 연구가 선행되어야 한다. 둘째, 압축 기체 수소 저장은 현재 수소연료전지 자동차에 가장 많이 사용 되는 방식으로 350 bar 혹은 700 bar의 내압을 견딜수 있는 특수 내압 저장탱크에 압축된 기체 수소를 저장한다.
	수소는 어떻게 저장할 수 있는가?	일반적으로 수소는 액체 수소 저장, 압축 기체 수소 저장, 수소저장 합금으로 저장할 수 있다. 첫째, 대기압 상태의 기체 수소를 액화시켜 극저온용 특수 단열 저장용기 내 액체 수소(약 20.

참고문헌 (12)

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상세보기
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M. Melaina and M. Penev, "Hydrogen station cost estimates: Comparison hydrogen station cost calculator results with other recent estimates (Tech Rep. No. NREL/TP-5400-56412)", National Renewable Energy Laboratory, September, 2013, pp. 21-24.
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상세보기
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상세보기
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ASME, "ASME PTC 19.1-2005: Test uncertainty", ASME, New York.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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