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접시형 태양열 집광 시스템을 이용한 열화학 사이클의 수소생산
TWO-STEP THERMOCHEMICAL CYCLES FOR HYDROGEN PRODUCTION WITH DISH TYPE SOLAR THERMAL SYSTEM 원문보기

한국태양에너지학회 2011년도 추계학술발표대회 논문집, 2011 Nov. 24, 2011년, pp.169 - 176  

권해성 (인하대학교 대학원 기계공학과) ,  오상준 (인하대학교 대학원 기계공학과) ,  서태범 (인하대학교 기계공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The two-step water splitting thermochemical cycle is composed of the T-R (Thermal Reduction)and W-D (Water Decomposition)steps. The mechanism of this cycle is oxidation-reduction, which produces hydrogen. The reaction temperature necessary for this thermochemical cycle can be achieved by a dish-type...

AI 본문요약
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제안 방법

  • 2010년 3월 실험에 사용되었던 반응기의 재질을 알루미나에서 SUS304로 변경함으로써 실험 결과의 신뢰도를 높였다. 또한 열적 안정성을 고려하여 제작된 NiFe2O4/m-ZrO2foamdevice를 사용하여 5회에 종료되었던 사이클 횟수를 9회 반복하였다.
  • 999%의 질소가스를 이용하여 환원하여 생성되는 산소를 gas outlet을 통해 밖으로 배출시키다. T-R단계의 수행 시간은 1,500℃에서 20분, 1400~1500℃의 온도 범위에서 20~30분을 기준으로 수행하였다.
  • foam device의 중앙부와 가장자리 부분에 R-type thermocouple을 설치하여 온도를 측정하였다.
  • 를 사용하였다. 또한 기상조건에 따라 변화하는 실제 일사조건에서 5kWth용량의 접시형태양열 집열 시스템에서 실험을 수행하여 수소 생산량 변화 추이를 분석하였다.
  • 본 연구에서는 5kWth용량의 접시형태양열 집열 시스템에서 집광한 실제 광원을 사용하여 실제 자연환경에서 2단계 열화학 사이클 실험을 수행하고 2010년에 수행되었던 실험 결과와 비교 분석하였다.
  • 실험 장치는 Fig 5와 같이 구성하였다. 실험 수행 과정은 질소가스를 이용한 퍼징, T-R단계와 W-D단계의 사이클 연속 수행, 가스 크로마토 그래피 장비를 이용한 생성가스의 분석을 순서적으로 진행하였다.(9) 실험 전 수행하는 퍼징(purging)은 T-R단계 및 W-D 단계에서 반응하지 않는 99.
  • 999%의 질소가스를 유로내에 유입시켜 유로내의 이물질을 제거하는 과정이다. 유로내의 이물질을 충분히 제거하기 위하여 30분 동안 수행하였다.
  • kodama et al.은 2단계 반응을 위한 반응기와 인공광원으로 직경 10mm 페라이트 금속산화물을 사용하여 사이클 반복 실험을 수행하였다.(6) Patriceetal.
  • (6) Patriceetal.은 철 산화물 시편을 Furnace를 이용하여 온도 조건에 따른 수소 생산량에 대한 관계를 도출 하였다.(7)
  • 인공광원이 아닌 태양을 광원으로 사용하는 실제 환경에서의 실험을 위해 인천 송도에 위치한 Inha Dish-1을 이용하였다. 이 장치를 이용하여 T-R단계 및 W-D단계에 필요한 온도를 반사판의 노출을 조정하여 제어하였다. 본 장치의 외관은 Fig.
  • O의 성분을 완전히 제거하였다. 이런 과정을 거친 최종 생성 가스는 3분마다 0.5mL의 실린지를 사용하여 포집한 후 가스 크로마토 그래피(Agilent 7890A)로 성분을 분석하였다.
  • 이와 같은 실험 수행은 태양열 모사장치가 아닌 실제 태양을 이용하였기 때문에 일사량 및 온도를 고려하여 수행시간을 조정하였다.

대상 데이터

  • (8) NiFe2O4/m-ZrO2 성분비를 다르게 하여 2010년과 2011년 각각 실험을 수행하였으며 2011년 실험에 사용된 foam device는 열적 안전성을 고려하여 제작하였다.
  • 2010년 실험에서는 반응기의 내부를 알루미나(Al2O3)를 사용하였으나 2011년 실험 수행에 사용된 반응기는 SUS304를 사용하였다. 알루미나는 열적충격(△T>1000℃)에 강하고 최대 사용온도가 2000℃로 높지만 열화학 반응에 반응한다.
  • NiFe2O4는 산화, 환원 특성이 우수하며 열화학 사이클 반응 중 결정구조의 변화없이 매우 안정하게 수소를 생산할 수 있다. 또한 사이클 반복과열적 안전성을 높이기 위해 MPSZ (MgO-Partially StabilizedZirconia)를 지지체로 사용하였다.(8) NiFe2O4/m-ZrO2 성분비를 다르게 하여 2010년과 2011년 각각 실험을 수행하였으며 2011년 실험에 사용된 foam device는 열적 안전성을 고려하여 제작하였다.
  • 반응기의 집열부는 투과율이 높은 석영유리를 부착하였고, NiFe2O4/m-ZrO2는 반응기 내부의 중앙에 위치시켰다. 반응기의 내부 유로는 Device상단부의 측면에 2개의 Gasinlet, Device의 하단부의 중앙에 1개의 gas outlet을 설치 제작하였다.
  • 본 연구에서는 반응의 매체가 되는 금속산화물로서 Fe3O4에 니켈계 양이온을 결합한 NiFe2O4를 사용하였다. 또한 기상조건에 따라 변화하는 실제 일사조건에서 5kWth용량의 접시형태양열 집열 시스템에서 실험을 수행하여 수소 생산량 변화 추이를 분석하였다.
  • 실험에 사용된 반응매체는 Fe3O4에 니켈계 양이온을 결합한 NiFe2O4을 사용하였다. NiFe2O4는 산화, 환원 특성이 우수하며 열화학 사이클 반응 중 결정구조의 변화없이 매우 안정하게 수소를 생산할 수 있다.
  • 인공광원이 아닌 태양을 광원으로 사용하는 실제 환경에서의 실험을 위해 인천 송도에 위치한 Inha Dish-1을 이용하였다. 이 장치를 이용하여 T-R단계 및 W-D단계에 필요한 온도를 반사판의 노출을 조정하여 제어하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
태양에너지를 사용함에 있어 해결해야할 과제는? 그러나 태양에너지는 전기 에너지와 화석연료에 기반을 둔 현재의 에너지 시스템에 적용할 수 있도록 전환 되어야 하는 과제가 남아있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 태양열을 이용한 수소 생산을 연구 중에 있다.
수소 제조방법은? 이러한 문제점을 해결하기 위해 태양열을 이용한 수소 생산을 연구 중에 있다. 수소 제조방법은 열분해, 전기분해, 광분해로 분류되어진다. (3)이 중 열분해 프로세스는 신재생에너지자원인 풍부한 태양복사에너지를 기본 에너지로서 사용할 수 있다.
물로부터 직접하는 열분해 프로세스의 단점은? (3)이 중 열분해 프로세스는 신재생에너지자원인 풍부한 태양복사에너지를 기본 에너지로서 사용할 수 있다. 물로부터 직접 열분해의 경우 합리적인 분해에 도달하기 위해서는 2500K의 고온의 열원이 필요하고 폭발성 혼합물로 되는 것을 막기 위해 부수적인 장치들을 필요로 하기 때문에 실용화가 어려운 실정이다. 따라서 상대적으로 낮은 온도에서 물 분해를 통한 수소 제조 방법인 다단 열화학 사이클에 대한 연구가 주로 이루어지고 있다.
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