마그네슘의 설계 최적화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13436(2022) 이 기사 인용

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금속수소화물(MH)은 큰 수소 저장 용량, 낮은 작동 압력 및 높은 안전성으로 인해 수소 에너지 저장에 가장 적합한 재료 그룹 중 하나로 알려져 있습니다. 그러나 느린 수소 흡수 동역학은 저장 성능을 크게 저하시킵니다. MH 저장소에서 더 빠른 열 제거는 수소 흡수율을 향상시켜 더 나은 저장 성능을 얻는 데 필수적인 역할을 할 수 있습니다. 이와 관련하여, 본 연구는 MH 저장 시스템의 수소 흡수율에 긍정적인 영향을 미치기 위해 열 전달 성능을 향상시키는 것을 목표로 합니다. 새로운 반원통형 코일은 먼저 수소 저장을 위해 설계 및 최적화되었으며 공기를 열 전달 유체(HTF)로 사용하는 내부 열 교환기로 내장되었습니다. 새로운 열 교환기 구성의 효과를 분석하고 다양한 피치 크기를 기반으로 일반 나선형 코일 형상과 비교합니다. 또한 최적의 값을 얻기 위해 MH 저장 및 HTF의 작동 매개변수를 수치적으로 조사했습니다. 수치해석에는 ANSYS Fluent 2020 R2를 활용하였습니다. 이 연구의 결과는 반원통형 코일 열교환기(SCHE)를 사용함으로써 MH 저장 성능이 크게 향상되었음을 보여줍니다. 일반 나선형 코일 열교환기에 비해 수소 흡수 기간이 59% 감소합니다. SCHE의 가장 낮은 코일 피치는 흡수 시간을 61% 단축시킵니다. SCHE를 이용한 MH 저장에 대한 작동 매개변수 측면에서 선택된 모든 매개변수는 수소 흡수 공정, 특히 HTF의 입구 온도에서 큰 개선을 제공합니다.

화석 연료 기반 에너지 자원에서 재생 가능한 형태의 에너지로의 전환이 전 세계적으로 진행되고 있습니다. 다양한 형태의 재생에너지가 역동적인 방식으로 전기를 공급하기 때문에 부하 균형을 유지하려면 에너지 저장이 필요합니다. 수소 기반 에너지 저장은 이러한 목적을 위해 많은 주목을 받고 있으며, 특히 수소는 그 특성과 휴대성 때문에 '친환경' 대체 연료 및 에너지 저장 매체로 사용될 수 있기 때문입니다1. 또한, 수소는 화석 연료에 비해 질량당 더 높은 에너지 용량을 제공합니다2. 수소 에너지 저장에는 압축 가스, 지하 저장, 액체 저장, 고체 저장 등 4가지 주요 유형이 있습니다. 압축수소가스는 버스, 지게차 등 연료전지 차량에 주로 사용되는 형태다. 그러나 이 저장 장치는 낮은 부피 수소 밀도(약 0.089kg/m3)를 제공하며 높은 작동 압력3과 관련된 안전 문제를 제시합니다. 액체 저장은 저온 및 주변 압력의 전환 과정을 기반으로 수소를 액체 형태로 저장합니다. 그러나 액화 과정에서 약 40%의 에너지 손실이 발생합니다. 더욱이, 이 기술은 고체 저장 기술에 비해 에너지 소비가 많고 시간이 많이 걸리는 것으로 알려져 있습니다4. 고체 저장은 흡수를 통해 고체 물질 내에서 수소를 결합하고 탈착을 통해 수소를 방출함으로써 수소를 저장하는 수소 경제를 위한 실행 가능한 옵션입니다5. 금속 수소화물(MH)은 고정식 및 이동 응용 분야 모두에서 높은 수소 용량, 낮은 작동 압력 및 액체 저장에 비해 저렴한 비용으로 인해 최근 연료 전지 응용 분야에서 상당한 관심을 끌고 있는 고체 물질 저장 기술 중 하나입니다6, 7. 또한, MH 소재는 고용량 효율 저장8로서 안전한 성능도 제공합니다. 그러나 MH 성능을 제한하는 한 가지 문제가 있습니다. MH 반응기는 열전도율이 낮아서 수소 흡수 및 탈착이 느려집니다.

발열 및 흡열 반응 중에 열을 적절하게 전달하는 것이 MH 반응기 성능을 향상시키는 열쇠입니다. 수소 충전 공정의 경우, 최대 저장 용량10으로 원하는 속도로 수소 충전 흐름을 제어하기 위해 생성된 열을 반응기에서 제거해야 합니다. 대조적으로, 방전 과정에서 수소 방출 속도를 향상시키기 위해서는 열이 필요합니다. 열 및 물질 전달 성능을 향상시키기 위해 많은 연구자들이 작동 매개변수, MH 구조 및 MH 최적화를 포함한 여러 요소를 기반으로 설계 및 최적화를 연구했습니다. MH 최적화는 금속 폼과 같은 높은 열 전도성 재료를 MH 베드에 추가하여 수행할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 유효 열전도도를 0.1에서 최대 2W/mK10까지 높일 수 있습니다. 그러나 고체 물질을 추가하면 MH 반응기 용량이 크게 감소합니다. 작동 매개변수의 경우 MH 베드 및 열전달 유체(HTF)의 초기 작동 조건을 최적화하여 개선할 수 있습니다. MH 구조는 원자로의 기하학적 구조와 열교환기 설계14의 배열에 의해 최적화될 수 있습니다. MH 원자로의 열교환기 구성 측면에서 접근방식은 두 가지 유형으로 분류될 수 있다. MH 베드에 내장된 내부 열교환기와 MH 베드를 덮고 있는 핀, 냉각자켓, 수조 등의 외부 열교환기가 있습니다15. 외부 열 교환기의 경우 Kaplan16은 냉각수를 재킷으로 사용하여 반응기 내부 온도를 낮추는 방식으로 MH 반응기의 성능을 분석했습니다. 결과는 22개의 원형 핀이 있는 원자로와 자연 대류에 의해 냉각되는 다른 원자로와 비교되었습니다. 그들은 냉각 재킷을 사용하면 MH 온도가 크게 감소하여 흡수율이 향상된다고 주장했습니다. Patil과 Gopal17의 워터 재킷을 갖춘 MH 반응기에 대한 수치 연구는 HTF의 수소 공급 압력과 온도가 수소 흡수 및 탈착 속도에 영향을 미치는 주요 매개 변수임을 나타냅니다.