[논문]금속 수소화물을 이용한 수소공급시스템

배상철; 승전정문

문제 정의

따라서 본 연구에서는, 동선(직경 0.03 mm)을 MH합금 입자층에 혼입하는 열전달 촉진법의 실험결과를 이용해서, 동선 혼입이 시스템 성능에 미치는 영향을 수치계산으로 예측했다. 그림 4에 각 동선 혼입중량 비율조건에 대해 열원 매체인 브라인 온도를 70 도에서 20 도로 변화시키는 경우, 수소화 반응 20 %, 50 %, 80 %(20 도 온도조건에서 LaNiyAh"합금의 최대 수소 흡장량인 1.
본 시스템에서는, 요구 소비 수소량 변동에 대한 수소 방출 반응 지연 시간이 중요한 용기 성능평가 기준이다. 용기 충진 MH합금량에 대한 요구소비 수소 변동량의 비율은 시스템에서 대상으로 하는 세대수(전력량)가 작을수록 크고, 용기 설계도 힘들어진다.
본 연구는 합금을 이용한 수소저장·공급용 이중관식 열교환기형 용기의 성능 특성을 명확히 함으로서, 고정식 수소 저장이나 boil off 수소 회수에 관한 MH합금이용시스템의 유효성 검정을 목적으로 한다.
13 MPa이상일 것이다. 본 연구에서는, 상기 작동 온도, Plateau 압력 조건에 가동 됨과 동시에, 활성화.안정화 처리 등의 취급이용이 한 LaNieAlm을 사용 합금으로 선정하였다.

가설 설정

- 용기 내관 내측 벽과 열원매체인 브라인 사이의 열전달은 강제열전달이다.
・ MH합금 입자충진 용기내의 수소 가스 온도는 일정이다.
・ MH합금 입자층에 있어서의 열전달은 열전도만이다.
・ 열원 매체(브라인) 온도는 일정하다.
・ 용기 중심과 용기 외관은 단열 상태이다.
단, MH합금 이용 수소 저장 탱크에의 수소 공급 방법으로서, 설정 1에서는 1일 1회의 탱크로리에 의한 수소 공급을, 설정 2에서는 파이프라인에 의한 상시 일정유량 수소공급을 가정하여 수치계산을 행하였다. 상세한 설정 조건을 아래에 나타낸다.
본 설정 2에서는, 파이프라인으로부터 상시 일정 유량의 수소를 MH합금 이용 수소 용기에 공급받는다고 가정한다. 그림 8에 용기로부터 공급 수소 유량과 소비처의 요구 수소유량을 나타내었다.
본 시스템에서는 파이프라인에 의한 용기에의 수소 공급량과 연료전지가 요구하는 수소량과의 차를 완화하는 완충탱크로 MH합금 이용 용기를 사용한다고 가정하였다. 설정 1에 비해서, 융기 규모가 현저하게 소형화된다.
본 연구에서 사용할 수소 저장 용기용 MH 합금의 목표 작동 조건은, 수소화(흡장) 반응이 온도 20-30 ℃에서 일어나고, 동 온도 조건의 Plateau 압력이 0.1 MPa이하일 것, 탈수소화(방출) 반응 이온도 70-80 ℃에서 일어나고, 동 온도 조건의 Plateau 압력이 0.13 MPa이상일 것이다. 본 연구에서는, 상기 작동 온도, Plateau 압력 조건에 가동 됨과 동시에, 활성화.

제안 방법

1) LaNi4.7Uo.3의 기초물성값을 파악하여 정량화하였다. 이들 값을 이용한 수치계산 모델을 세워 플로토 타입 MH합금 이용 수소저장 용기의 성능예측이 가능하였다.
MH합금을 이용한 수소저장법이 유력한 분산형 수소저장 방법인가를 검정하기 위해, 주요한 타 저장법(압축수소, 액체수소)과 저장 성능을 비교했다. 설정 1의 6200 Nk의 수소를 저장할 경우, 점유체적을 비교한 결과를 표 5에, 소요 동력을 비교해서 표 6에 나타내었다.
수치계산을 이용하여 각 파라메타의 영향을 예측하기에 앞서, 플로토 시험기와 동일한 형상에 관한 성능 예측 계산을 하여 그 결과를 용기 실험결과와 비교해, 계산 모델의 타당성을 확인하였다. 그 후, 본 계산 모델을 이용해서 용기직경과 MH합금 입자충 유효 열전도율을 파라메타로 한 MH합금 이용 수소 저장용기 성능 예측 계산을 하여, 용기 설계 지침을 제시하였다. 그리고 열원 매체로 사용한 브라인의 온도 조절을 통해 MH합금 이용 용기의 수소 공급량과 방출량 제어의 가능성도 확인하였다.
그 후, 본 계산 모델을 이용해서 용기직경과 MH합금 입자충 유효 열전도율을 파라메타로 한 MH합금 이용 수소 저장용기 성능 예측 계산을 하여, 용기 설계 지침을 제시하였다. 그리고 열원 매체로 사용한 브라인의 온도 조절을 통해 MH합금 이용 용기의 수소 공급량과 방출량 제어의 가능성도 확인하였다. 마지막으로 MH합금을 이용한 연료전지 발전 시스템에의 수소공급 네트워크를 구축할 때, 모델 사회의 요구 소비 수소량의 변동에 대한 MH합금 이용 분산형 수소저장용기의 수소 공급 성능을 수치 계산하여, 그 적용 가능성을 확인하였다.
압력조건에 맞는 MH합금을 선정해서, 기초 열물성치를 즉정해 수식으로 정리하였다. 그리고, MH합금을 1 kg 투입 가능한 수소저장용 플로토 타입 용기를 제작해 수소 흡입·방출특성을 파악하는 실험을 행하였다. 동시에 MH 합금 이용 수소 저장 용기의 1차원 원주좌표 수치 계산 모델을 작성해서 용기 성능 및 파라메타의 영향도 예측 계산했다.
그리고, MH합금을 1 kg 투입 가능한 수소저장용 플로토 타입 용기를 제작해 수소 흡입·방출특성을 파악하는 실험을 행하였다. 동시에 MH 합금 이용 수소 저장 용기의 1차원 원주좌표 수치 계산 모델을 작성해서 용기 성능 및 파라메타의 영향도 예측 계산했다. 수치계산을 이용하여 각 파라메타의 영향을 예측하기에 앞서, 플로토 시험기와 동일한 형상에 관한 성능 예측 계산을 하여 그 결과를 용기 실험결과와 비교해, 계산 모델의 타당성을 확인하였다.
용기 충진 MH합금량에 대한 요구소비 수소 변동량의 비율은 시스템에서 대상으로 하는 세대수(전력량)가 작을수록 크고, 용기 설계도 힘들어진다. 따라서 1000 세대와 1 세대에 있어서 소비전력의 최대변동을 에너지 소비 패턴으로부터 아래의 표 3과 같이 가정하여 동선 혼입량 및 용기의 반경의 변화가 각각의 세대 분용 기 수소 방출 성능에 미치는 영향을 수치 계산하였다. 단, 소비전력의 최대변동에 대해선 다음의 자료를 참조하였다.
동선 혼입에 의한 혼합 입자층 전 용적 종가율은, 동선 3 wt% 혼입 조건에서 12 %였고, 동선 10 wt% 혼입 조건에서 50 %나 되었다. 따라서 본 예측계산은, 충진 MH합금 중량 일정(혼입 동선량 증가에 동반하여, 혼합 입자층 전 용적이 증가)과 혼합 입자층 전 용적 일정(혼입 동선량 증가에 따라, 혼입 MH합금 입자량이 감소)의 두 가지 조건에 대해서 행하였다. 우선, 그림 4에 실선으로 표시하는 충진 MH합금 입자량 일정 조건에 관한 계산 결과를 보면, 동선 혼입량의 증가와 함께 반응 종료 시간도 단축되는 것을 알 수 있다.
먼저 , 성능 예측 수치 계산에 있어 필요한 MH 합금의 기초 열물성치를 파악하기 위해, 선정한 LaNimAlcw합금 입자층의 밀도, 비열, PCT 특성 및 유효 열전도율(동선(직경 0.03 mm) 혼입에 의한 전열촉진 효과 고려)을 측정하여, PCT특성은 식 2)와 식 3)과 같이, 유효열전도율 은 식 4)과 같이 정리하였다. 밀도는 일본토질공학회가 규정한 [토양 입자의 밀도 실험 방법]1), 비열은 시차 주사 열량 측정법(DSC법), PCT특성은 진공 원점법, 유효 열전도율은 비정상법2)을 사용하여 측정했다.
수소저장 용기 반경을 0.02 tn로, MH합금 입자층 내 동선 혼입량을 3 wt%로 결정해 MH 합금을 이용한 연료전지 발전 시스템에의 수소공급 시스템의 성능을 예측 계산하였다.
열원 매체인 브라인과 MH합금 입자 층과의 열평형으로부터 열교환량을 계산하였다. 수소홉장·방출시의 MH합금 이용 용기의 수소 수입량·방출량은 그림 1에 표시한 수소 질량 유량계(오차: +1 % of Full Scale)로 계측하였다.
동시에 MH 합금 이용 수소 저장 용기의 1차원 원주좌표 수치 계산 모델을 작성해서 용기 성능 및 파라메타의 영향도 예측 계산했다. 수치계산을 이용하여 각 파라메타의 영향을 예측하기에 앞서, 플로토 시험기와 동일한 형상에 관한 성능 예측 계산을 하여 그 결과를 용기 실험결과와 비교해, 계산 모델의 타당성을 확인하였다. 그 후, 본 계산 모델을 이용해서 용기직경과 MH합금 입자충 유효 열전도율을 파라메타로 한 MH합금 이용 수소 저장용기 성능 예측 계산을 하여, 용기 설계 지침을 제시하였다.
먼저 , 사용온도.압력조건에 맞는 MH합금을 선정해서, 기초 열물성치를 즉정해 수식으로 정리하였다. 그리고, MH합금을 1 kg 투입 가능한 수소저장용 플로토 타입 용기를 제작해 수소 흡입·방출특성을 파악하는 실험을 행하였다.
외관 벽에는 단열재를 두께 20 cm로 감아서, 외기와의 열교환에 의한 열손실을 무시 가능하도록 하였다. 열원 매체인 브라인과 MH합금 입자 층과의 열평형으로부터 열교환량을 계산하였다. 수소홉장·방출시의 MH합금 이용 용기의 수소 수입량·방출량은 그림 1에 표시한 수소 질량 유량계(오차: +1 % of Full Scale)로 계측하였다.
0234 이이다. 외관 벽에는 단열재를 두께 20 cm로 감아서, 외기와의 열교환에 의한 열손실을 무시 가능하도록 하였다. 열원 매체인 브라인과 MH합금 입자 층과의 열평형으로부터 열교환량을 계산하였다.
단, 소비전력의 최대변동에 대해선 다음의 자료를 참조하였다. 즉, 1000 세대에 관한 계산에선 동경전력의 하루 중 공급전력량 변화를 참고로 하였고, 1 세대에 관한 계산에선 일본 산업기술종합연구소에 의한 일반 가정의 계측 결과를 참조하였다.

대상 데이터

본 연구는 일본 환경 청[本壓/早稻田 지역에서의 G수소모델 사회 구축]프로젝트의 지원으로 수행되었다.
실험 장치를 그림 1에 표시한다. 실험 장치는 MH 합금 이용 수소저장 용기, 수소 공급계, 진공계, 항온조 및 수소 유량계로 구성된다.
본 연구에서는, 상기 작동 온도, Plateau 압력 조건에 가동 됨과 동시에, 활성화.안정화 처리 등의 취급이용이 한 LaNieAlm을 사용 합금으로 선정하였다.

데이터처리

본 연구에서 제안한 수치 계산 모델의 타당성 검정을위하여, MH합금을 1 kg 투입 가능한 플로토 타입 수소 저장 용기를 작성하여 그 실험 결과와 계산 모델을 이용한 계산 결과를 비교하였다. 실험 장치를 그림 1에 표시한다.

이론/모형

계산에서는, 이상의 가정 층}에, 식 1)의 열확산 방정식을 후진차분법으로 풀었다.
03 mm) 혼입에 의한 전열촉진 효과 고려)을 측정하여, PCT특성은 식 2)와 식 3)과 같이, 유효열전도율 은 식 4)과 같이 정리하였다. 밀도는 일본토질공학회가 규정한 [토양 입자의 밀도 실험 방법]1), 비열은 시차 주사 열량 측정법(DSC법), PCT특성은 진공 원점법, 유효 열전도율은 비정상법2)을 사용하여 측정했다.

성능/효과

2) MH합금이용 수소공급 시스템에서, 열원매체 온도를 단계적으로 조절함으로서 요구 수요에 따른 방출 수소유량제어가 가능함을 확인하였다.
3) MH합금이용 수소공급 시스템의 반응종료 시간, 점유체적, 수소 흡장량의 밸런스를 고려한 설계지침을 확인하였.
4) 연료전지에의 수소공급 모델 계산에 의해, MH합금이용 용기는 요구 소비 수소량 변화에 대응해 충분히 수소를 공급할 수 있음을 확인하였다.
이 때, 브라인의 온도 변화량은 요구와 공급 수소량의 차에 따라 변경한다. 계산 결과에 따르면, 브라인 온도를 변동시킨 후 공급유량이 조절되는데 걸리는데 걸리는 시간 지연은 약 20 초(동선 미혼 입시는 약 40 초)이고, 요구되는 소비 수소량과 3 % 이내의 오차로 수소를 공급 가능하였다. 따라서 하루 중 요구되는 소비 수소량을 만족시킬 수 있는 수소 공급유량제어가 브라인(열원 매체) 온도제어로 가능하다고 판단되었다.
그림 중의 6200 Nm3의 직선은 용기의 최대수소저장량을 나타낸다. 계산 결과에 따르면, 용기에의 수소공급에 걸리는 시간은, 탱크 반경 0.02 m, 동선 3 wt% 혼입 조건에서 약 10 분이고, 동선 미 혼입조건에서는 18 분일 것으로 예측되었다. 더욱이, 동선 미 혼합 조건에서, 용기반경을 플로토 모델기와 동일한 0.
1 wt% 에 대한 백분율)종료에 걸린 시간을 수치 계산한 결과를 나타내었다. 동선 혼입에 의한 MH합금 입자층 열전달 촉진 실험에서는 유효 열전도율이 촉진되는 한편, 혼합 입자층(MH 합금+동선)의 전 체적도 크게 증가하는 것을 확인했었다. 동선 혼입에 의한 혼합 입자층 전 용적 종가율은, 동선 3 wt% 혼입 조건에서 12 %였고, 동선 10 wt% 혼입 조건에서 50 %나 되었다.
계산 결과에 따르면, 브라인 온도를 변동시킨 후 공급유량이 조절되는데 걸리는데 걸리는 시간 지연은 약 20 초(동선 미혼 입시는 약 40 초)이고, 요구되는 소비 수소량과 3 % 이내의 오차로 수소를 공급 가능하였다. 따라서 하루 중 요구되는 소비 수소량을 만족시킬 수 있는 수소 공급유량제어가 브라인(열원 매체) 온도제어로 가능하다고 판단되었다.
그리고 열원 매체로 사용한 브라인의 온도 조절을 통해 MH합금 이용 용기의 수소 공급량과 방출량 제어의 가능성도 확인하였다. 마지막으로 MH합금을 이용한 연료전지 발전 시스템에의 수소공급 네트워크를 구축할 때, 모델 사회의 요구 소비 수소량의 변동에 대한 MH합금 이용 분산형 수소저장용기의 수소 공급 성능을 수치 계산하여, 그 적용 가능성을 확인하였다.
그림 U의 (a)와 (b)의 비교에 의해 세대 수의 증가에 따라 설계 조건이 쉬어지는 것을 알 수 있다. 반응 지연 시간 20 초를 한도로 한 경우에, 1000 세대에서는 용기 반경 0.02 m, 동선 혼입량 2 wt% 조건에서 요구 소비 수소량을 방출 가능한데 반하여, 1 세대의 경우는 용기 반경을 0.01 m까지 가늘게 해야 요구 소비 수소량을 방출 할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또, 대규모 시스템인 경우, 요구 소비 수소량을 예측해서 수소 방출량을 제어하는 것과 같은 운전제어 방법으로도 대응 가능하다.
3의 기초물성값을 파악하여 정량화하였다. 이들 값을 이용한 수치계산 모델을 세워 플로토 타입 MH합금 이용 수소저장 용기의 성능예측이 가능하였다.
즉, 동선 3 wt% 혼입 조건에서 혼합 입자층 전 수소 홉장량은 11 % 감소하고, 동선 10 wt% 혼입조건에서 33 %나 감소한다. 이들 결과로부터 동선과 같은 전열 촉진체를 혼입하여 MH합금이용 수소 저장 용기의 성능향상을 꾀할 경우에는 반응 종료시간, 혼합 입자층 전체 용적 , 용기 내 가능 수소 저장량이란 3개의 파라메타를 고려해서 설계 지침을 제안해야할 필요가 있다는 것을 알 수 있다.
그러나 혼합 입자층 전 용적을 일정하게 하기 위해서는, 동선 혼입량의 증가와 함께 , 용기에 충진 가능한 MH합금 입자량이 감소함으로, 혼합 입자 증의 저장 가능한 수소량도 감소한다는 점을 고려하지 않으면 안 된다. 즉, 동선 3 wt% 혼입 조건에서 혼합 입자층 전 수소 홉장량은 11 % 감소하고, 동선 10 wt% 혼입조건에서 33 %나 감소한다. 이들 결과로부터 동선과 같은 전열 촉진체를 혼입하여 MH합금이용 수소 저장 용기의 성능향상을 꾀할 경우에는 반응 종료시간, 혼합 입자층 전체 용적 , 용기 내 가능 수소 저장량이란 3개의 파라메타를 고려해서 설계 지침을 제안해야할 필요가 있다는 것을 알 수 있다.

후속연구

0234 m로 가정한 경우에는 수소공급에 약 24 분 걸린다는 계산결과를 얻었다. 이들 결과에서 알 수 있는 것처럼, 배열원등의 열원 확보만 되면 MH 합금 이용 용기를 사용해도 비교적 단시간에 용기에의 수소 수입이 가능할 것으로 생각된다.

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

금속 수소화물을 이용한 수소공급시스템
Hydrogen Supplying System using Metal Hydride 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

금속 수소화물을 이용한 수소공급시스템 Hydrogen Supplying System using Metal Hydride 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

금속 수소화물을 이용한 수소공급시스템
Hydrogen Supplying System using Metal Hydride 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper