[논문]금속수소화물-팽창흑연 복합체의 열전달 특성 및 수소 저장 특성

이평종; 김종원; 배기광; 정성욱; 강경수; 정광진; 박주식; 김영호

doi:10.7316/khnes.2020.31.6.564

금속수소화물-팽창흑연 복합체의 열전달 특성 및 수소 저장 특성
Heat Transfer Characteristics and Hydrogen Storage Kinetics of Metal Hydride-Expended Graphite Composite 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.6, 2020년, pp.564 - 570

이평종 (한국에너지기술연구원) , 김종원 (한국에너지기술연구원) , 배기광 (한국에너지기술연구원) , 정성욱 (한국에너지기술연구원) , 강경수 (한국에너지기술연구원) , 정광진 (한국에너지기술연구원) , 박주식 (한국에너지기술연구원) , 김영호 (충남대학교 응용화학공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Metal hydride is suitable for safe storage of hydrogen. The hydrogen storage kinetics of the metal hydride are highly dependent on its heat transfer characteristics. This study presents a metal hydride-expended graphite composite with improved thermal conductivity and its hydrogen storage kinetics. To improve the heat transfer characteristics, a metal hydride was mixed and compacted with a high thermal conductivity additive. As the hydrogen storage material, AB5 type metal hydride La0.9Ce0.1Ni5 was used. As an additive, flakes-type expended graphite was used. With improved heat transfer characteristics, the metal hydride-expended graphite composite stores hydrogen four times faster than metal hydride powder.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Densities of LCN2, EG and its mixtures compacted for increasing compression pressures
그림 Fig. 2. Schematic diagram of the thermal conductivity measurement device
그림 Fig. 3. Schematic diagram of the heat transfer measurement device
그림 Fig. 4. SEM ion mapping of LCN2 and EG; (a) mixed LCN2 and EG powder, (b) carbon mapping of mixed LCN2 and EG powder, (c) vertical section of compressed EG additive composite, (d) carbon mapping of vertical section of compressed EG additive composite
그림 Fig. 5. Heat pulse formed by repeating heater on and off every 5 minutes in before hydriding
그림 Fig. 6. Heat pulse formed by repeating heater on and off every 5 minutes in after hydriding
표 Table 1. Radial thermal conductivity of metal hydride composites
그림 Fig. 7. Flow rate and cumulated hydrogen inside LCN2 powder during hydrogen storage at 40 bar
그림 Fig. 8. Flow rate and cumulated hydrogen inside the 95 wt% LCN2 – 5 wt% EG composite during hydrogen storage at 40 bar
그림 Fig. 9. Hydrogen temperature inside the LCN2 powder during hydrogen storage at 40 bar
그림 Fig. 10. Hydrogen temperature inside the 95 wt% LCN2 – 5 wt% EG composite during hydrogen storage at 40 bar

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 EG 혼합 및 압축성형이 LCN2의 열전달 특성 및 수소 저장 특성에 미치는 영향을 확인하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 흑연 혼합 및 압축성형이 MH의 열전달 특성과 수소 저장 특성에 미치는 영향을 고찰하였다. MH와 흑연을 혼합하고 압축성형하여 복합체를 제조하였다.

제안 방법

3절에서 제시한 장치를 활용하였다. LCN₂ 분말(223.35 g)과 100 MPa로 압축된 95 wt% LCN₂ – 5 wt% EG 복합체(223.37 g) 를 사용하여 수소 저장 특성 평가를 진행하였다. 수소 저장 특성 평가 전 시료는 3회 이상의 수소 저장 및 방출을 통해 활성화되었다.
복합체의 반지름 방향 열전도도 및 수소화 전후 유효 열전도도를 측정하였다. MH 분말과 선정된 복합체의 수소 저장 특성을 고찰하였다.
MH와 흑연을 혼합하고 압축성형하여 복합체를 제조하였다. 복합체의 반지름 방향 열전도도 및 수소화 전후 유효 열전도도를 측정하였다.
95 wt% LCN₂ – 5 wt% EG 복합체는 약 50초까지 수소 저장 유량이 10 L/min으로 유지되었으며 이후 서서히 감소하면서 400초까지 수소가 저장되었다. 반응 시작 후 LCN₂ 분말과 95 wt% LCN₂ – 5 wt% EG 복합체는 각각 700초와 250초 동안 최고온도를 유지하였다. 최고 온도가 유지되는 동안 수소저장 유량이 일정하게 유지되었다.
ASTM D5470의 간접 온도 측정법을 사용하기 위해서 동일한 물질을 높이가 다른 두 개의 사각 기둥으로 압축성형하여 시료(시료-1 : 10 mm-L×10 mm-W ×10 mm-H, 시료-2 : 10 mm-L×10 mm-W×15 mm-H) 를 준비하였다. 반지름 방향 열전도도를 측정을 위해 시료를 압축성형 방향과 직교하는 방향으로 위치 시켜 높이와 열 임피던스(thermal impedance)를 측정하였다. 정상상태에 도달한 두 시료의 높이와 열 임피던스를 통해 측정시료의 열전도도를 산출하였다.
MH와 흑연을 혼합하고 압축성형하여 복합체를 제조하였다. 복합체의 반지름 방향 열전도도 및 수소화 전후 유효 열전도도를 측정하였다. MH 분말과 선정된 복합체의 수소 저장 특성을 고찰하였다.
7 mm (3, 4번 지점)에 각각 설치하였다. 복합체의 상부와 하부에 테플론(teflon)을 두어 축방향 열전달을 줄였다. 반응기 외부에 20℃의 물을 순환시켜주었다.
첨가제로 열전도도가 우수한 플레이크 타입의 expended graphite (EG, Yanxin)를 선정하였다¹⁴⁾. 분말 형태의 두 시료는 (100-x) wt% LCN₂ – x wt% EG (x=0, 5, 10, 15, 20, 100)의 비율로 혼합되었으며, 복합체는 해당 혼합시료를 100, 200, 300 MPa로 압축하여 제조되었다. Fig.
수소 저장 특성 평가 전 시료는 3회 이상의 수소 저장 및 방출을 통해 활성화되었다. 수소 저장 시 공급된 압력은 40 bar이며, 질량유량계를 이용하여 저장량을 평가하였다.
반응기 외부에 20℃의 물을 순환시켜주었다. 시료는 3회 이상 수소 저장 및 방출을 진행하였다. 수소화 전은 진공상태이며 수소화 후는 40 bar의 수소가 공급된 상태이다.
반지름 방향 열전도도를 측정을 위해 시료를 압축성형 방향과 직교하는 방향으로 위치 시켜 높이와 열 임피던스(thermal impedance)를 측정하였다. 정상상태에 도달한 두 시료의 높이와 열 임피던스를 통해 측정시료의 열전도도를 산출하였다. 복합체의 열전도도 계산을 위해 사용된 식은 다음과 같다.
3은 복합체의 열전달 및 수소 저장 특성 평가를 위해 구성한 장치의 모식도이다. 펄스(pulse) 형태로 열이 전달되는 현상을 분석하였으며 100 MPa로 압축된 95 wt% LCN₂ – 5 wt% EG 복합체의 수소화 전후 열확산도를 측정하였다. 반응기 내부에 직경 54 mm 복합체가 장입될 수 있도록 제작 되었다.
1에 혼합시료와 복합체의 밀도를 나타내었다. 혼합시료 및 복합체의 밀도는 각각 탭 밀도(tap density) 및 겉보기 밀도로 측정되었다. EG의 혼합비가 증가할수록 혼합시료의 밀도가 급격히 감소하였다.

대상 데이터

각 메타바의 온도 측정부는 시료 접촉면에서 메타바의 축방향으로 10 mm와 20 mm 떨어진 곳에 위치한다. ASTM D5470의 간접 온도 측정법을 사용하기 위해서 동일한 물질을 높이가 다른 두 개의 사각 기둥으로 압축성형하여 시료(시료-1 : 10 mm-L×10 mm-W ×10 mm-H, 시료-2 : 10 mm-L×10 mm-W×15 mm-H) 를 준비하였다. 반지름 방향 열전도도를 측정을 위해 시료를 압축성형 방향과 직교하는 방향으로 위치 시켜 높이와 열 임피던스(thermal impedance)를 측정하였다.
열전도도 측정 장치에는 ASTM D5470의 간접 온도 측정법과 ASTM E1225의 단열 기법이 적용되었다. 가열부(heat source)와 냉각부(heat sink)에는 사각 기둥 구리 메타바(10 mm-L×10 mm-W)가 적용되었다. 각 메타바의 온도 측정부는 시료 접촉면에서 메타바의 축방향으로 10 mm와 20 mm 떨어진 곳에 위치한다.
복합체에서 사용한 LCN₂와 동일한 La-Ni계 MH 이면서 AB5계 MH를 대표하는 LaNi₅를 대조시료로 선정하였다. 대조시료인 LaNi₅의 열확산도는 약 1 mm²/s이다¹⁵⁾.
수소저장재로 수소 저장 특성이 우수한 AB5계 MHLa_0.9Ce_0.1Ni₅ (LCN₂, Whole Win)을 선정하였다¹³⁾.첨가제로 열전도도가 우수한 플레이크 타입의 expended graphite (EG, Yanxin)를 선정하였다¹⁴⁾.
1Ni₅ (LCN₂, Whole Win)을 선정하였다¹³⁾.첨가제로 열전도도가 우수한 플레이크 타입의 expended graphite (EG, Yanxin)를 선정하였다¹⁴⁾. 분말 형태의 두 시료는 (100-x) wt% LCN₂ – x wt% EG (x=0, 5, 10, 15, 20, 100)의 비율로 혼합되었으며, 복합체는 해당 혼합시료를 100, 200, 300 MPa로 압축하여 제조되었다.
EG의 혼합비가 증가할수록 복합체의 밀도가 감소하였다. 최소한의 에너지로 복합체 밀도를 LCN₂의 95% 이상으로 유지하는 것을 고려하여 최적의 복합체로 100 MPa로 압축된 95 wt% LCN₂ – 5 wt% EG가 선정되었다.

이론/모형

2는 열전도도 측정 장치의 모식도이다. 열전도도 측정 장치에는 ASTM D5470의 간접 온도 측정법과 ASTM E1225의 단열 기법이 적용되었다. 가열부(heat source)와 냉각부(heat sink)에는 사각 기둥 구리 메타바(10 mm-L×10 mm-W)가 적용되었다.

성능/효과

1) 100 MPa로 압축된 95 wt% LCN₂ – 5 wt% EG 복합체의 반지름 방향 열전도도가 LCN₂ 분말보다 10배 이상, LCN₂ 성형체보다 3배 이상 증가하였다. 5 wt% EG 혼합 및 100 MPa 압축성형은 열전달 특성 향상에 효과적이다.
2) 95 wt% LCN₂ – 5 wt% EG 복합체의 열전달 특성 평가에서 복합체의 열확산도는 대조시료 LaNi5 의 열확산도와 비교하였을 때 수소화 전 약 5배, 수소화 후 약 8배 증가하였다. 복합체의 열확산도는 수소 가스의 존재 및 LCN₂의 팽창에 의해 수소화 전보다 수소화 후에 1.
3) LCN₂ 분말과 95 wt% LCN₂ – 5 wt% EG 복합체 각각에 대한 수소 저장 특성 평가에서 최고 온도는 100-110℃로 비슷하였으나 95 wt% LCN₂ – 5 wt% EG 복합체는 열전달 특성이 향상되어 LCN₂ 분말보다 수소를 4배 빠르게 저장하였다. EG 첨가는 반응열에 의해 높아진 MH의 온도를 효율적으로 낮추며 수소 저장 속도를 향상시킨다.
대조시료인 LaNi₅의 열확산도는 약 1 mm²/s이다¹⁵⁾. 95 wt% LCN₂ - 5 wt% EG 복합체의 수소화 전과 수소화 후의 열확산도는 대조시료 LaNi5 의 열확산도보다 각각 약 5배와 8배 높았다.
불규칙하게 위치한 판상형의 EG가 압축 시 LCN₂ 사이에 일정하게 수평으로 위치한다. 따라서 100 MPa로 압축된 95 wt% LCN₂ – 5 wt% EG 복합체의 반지름 방향 열전도도는 LCN₂ 성형체보다 3배 이상 증가하였으며 MH 분말보다 10배 이상 증가하였다.

참고문헌 (17)

B. Sakintuna, F. Lamari-Darkrim, and M. Hirscher, "Metal hydride materials for solid hydrogen storage: a review", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 32, No. 9, 2007, pp. 1121-1140, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.11.022.

상세보기
O. Bernauer, "Metal hydride technology", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 13, No. 3, 1988, pp. 181-190, doi: https://doi.org/10.1016/0360-3199(88)90017-1.

상세보기
C. S. Park, K. J. Jung, S. U. Jeong, K. S. Kang, Y. H. Lee, Y. S. Park, and B. H. Park, "Development of hydrogen storage reactor using composite of metal hydride materials with ENG", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 45, No. 51, 2020, pp. 27434-27442, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2020.07.062.

상세보기
B. D. MacDonald and A. M. Rowe, "Impacts of external heat transfer enhancements on metal hydride storage tanks", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 31, No. 12, 2006, pp. 1721-1731, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2006.01.007.

상세보기
P. Muthukumar, M. P. Maiya, and S. S. Murthy, "Experiments on a metal hydride-based hydrogen storage device", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 30, No. 15, 2005, pp. 1569-1581, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2004.12.007.

상세보기
T. Oi, K. Maki, and Y. Sakaki, "Heat transfer characteristics of the metal hydride vessel based on the plate-fin type heat exchanger", J. Power Sources, Vol. 125, No. 1, 2004, pp. 52-61, doi: https://doi.org/10.1016/S0378-7753(03)00822-X.

상세보기
G. Mohan, M. P. Maiya, and S. S. Murthy, "Performance simulation of metal hydride hydrogen storage device with embedded filters and heat exchanger tubes", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 32, No. 18, 2007, pp. 4978-4987, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2007.08.007.

상세보기
A. Boukhari and R. Bessaih, "Numerical heat and mass transfer investigation of hydrogen absorption in an annulus-disc reactor", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 40, No. 39, 2015, pp. 13708-13717, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.05.123.

상세보기
M. Dieterich, C. Pohlmann, I. Burger, M. Linder, and L. Rontzsch, "Long-term cycle stability of metal hydride-graphite composites", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 40, No. 46, 2015, pp. 16375-16382, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.09.013.

상세보기
C. Pohlmann, L. Rontzsch, T. Weissgarber, and B. Kieback, "Heat and gas transport properties in pelletized hydride-graphite-composites for hydrogen storage applications", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 38, No. 3, 2013, pp. 1685-1691, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.09.159.

상세보기
K. Herbrig, L. Rontzsch, C. Pohlmann, T. Weissgarber, and B. Kieback, "Hydrogen storage systems based on hydride-graphite composites: computer simulation and experimental validation", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 38, No. 17, 2013, pp. 7026-7036, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.03.104.

상세보기
H. Imamura, S. Tabata, N. Shigetomi, Y. Takesue, and Y. Sakata, "Composites for hydrogen storage by mechanical grinding of graphite carbon and magnesium", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 330-332, 2002, pp. 579-583, doi: https://doi.org/10.1016/S0925-8388(01)01506-7.

상세보기
S. Y. Noh, Y. W. Rhee, K. S. Kang, S. J. Choi, and J. W. Kim, "Technology characteristics of hydrogen storage and its technology trend by the patent analysis", Trans Korean Hydrogen New Energy Soc, Vol. 19, No. 1, 2008, pp. 90-102. Retrieved from https://www.koreascience.or.kr/article/JAKO200818259610128.page.
J. S. Kim, W. B. Han, H. S. Cho, M. S. Jeong, S. U. Jeong, W. C. Cho, K. S. Kang, C. H. Kim, K. K. Bae, J. W. Kim, and C. S. Park, "Hydrogen storage and release properties for compacted Ti-Mn alloy", Trans Korean Hydrogen New Energy Soc, Vol. 28, No. 1, 2017, pp. 9-16, doi: https://doi.org/10.7316/KHNES.2017.28.1.9.

원문보기 상세보기
X. Lin, Q. Zhu, H. Leng, H. Yang, T. Lyu, and Q. Li, "Numerical analysis of the effects of particle radius and porosity on hydrogen absorption performances in metal hydride tank", Applied Energy, Vol. 250, 2019, pp. 1065-1072, doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.04.181.

상세보기
A. N. Kazakov, I. A. Romanov, V. N. Kuleshov, and D. O. Dunikov, "Experimental investigations of adsorption characteristics and porosity of activated metal hydride powders", Journal of Physics : Conference Series, Vol. 891, 2017, 012115, doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/891/1/012115.

상세보기
C. S. Park, J. W. Kim, K. K. Bae, S. U. Jeong, and K. S. Kang, "Investigation of thermal management parameters of metal hydride based hydrogen storage system", Trans Korean Hydrogen New Energy Soc, Vol. 29, No. 3, 2017, pp. 251-259, doi: https://doi.org/10.7316/KHNES.2018.29.3.251.

원문보기 상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증