자동차 연료전지 적용을 위한 용액 및 슬러리상 화학수소저장재의 공학적 과제

자동차 적용을 위한 통합 연료전지 전력시스템은 연비 상승 가능성 때문에 지속적인 관심을 끌고 있는 주제다. 환경오염, 에너지 안보, 미래의 석유 공급에 대한 우려가 날로 커지면서, 지구촌은 석유 기반, 재생 가능한 수소 저장 매체를 찾고 있다. 가장 유망한 수소 저장 매체는 사회에 가장 큰 영향을 미치는 연료일 것이다. 주요 영향 분야로는 웰 투휠 온실가스 배출, 비석유 공급 주, 웰 투휠 효율성, 연료다용성, 인프라, 가용성, 경제, 재생, 안전 등이 있다.

자동차 용도의 수소 연료 전지는 약 60%의 전례 없는 차량 효율을 제공합니다. 수소의 단점은 미국 에너지부(DOE) 기술시스템 목표치를 모두 충족하면서 자동차 플랫폼에 5.6kg의 수소를 저장할 수 있다는 점이다. 경차용 온보드 수소저장 액체 수소는 부피측정 용량을 증가시키지만 저장 온도는 약 20K이다. 액체 수소와 극저온 압축 수소의 경우, 자동차 용도를 위해 깔끔한 수소를 저장하는 데 있어 숙성 문제, 중력 및 체적 용량이 중요한 과제이다. 깔끔한 수소의 중력 및 체적 저장능력에 의해 부과되는 한계를 제거하기 위해 수소 저장에 대한 세 가지 물질 기반 접근법, 즉 흡착제, 금속 수화물, 화학 수소 저장법이 연구되고 있다. 경차용 온보드 수소저장장치 상용화에 성공하려면 경차용 온보드 수소저장 시스템에 대한 DOE 목표를 모두 동시에 충족해야 한다. 

 

미국 에너지부(DOE) 연료전지기술국은 선내 수소저장장치 관련 엔지니어링 범위를 파악하고 진전시키기 위해 대학, 산업 법인, 연방연구소 등으로 구성된 수소저장공학센터(HSECoE)에 자금을 지원했다. 이 보고서의 초점은 화학 수소 저장과 관련된 우리의 작업에 초점이 맞춰져 있다. 상업화 요건을 모두 충족하는 화학 수소 저장 재료가 없다는 점을 감안해 알렌(알루미늄 하이드라이드, AlH과 암모니아 붕소(NH3 BH3, AB)를 부품 개발·시험·검증 대용으로, 시스템 설계·모델링용으로도 활용했다. 나중에 DOE 기술 목표를 충족할 것으로 예상되는 화학 수소 저장 재료의 재료 특성 지침을 개발하기 위해 구성 요소와 시스템 설계가 사용되었다. 화학적 수소 저장 재료는 높은 중력 및 체적 용량과 낮은 압력-중속 온도 작동으로 인해 추구된다. 화학 수소 저장의 주된 단점은 사용 후 연료의 선외 재생이다. 화학 수소 저장소의 재생은 HSECoE 작업 범위를 벗어났다. 우리의 연구는 현재의 최첨단 화학 수소 물질인 알렌과 암모니아 붕소와 관련된 단점을 식별, 개발, 진전시키는 데 초점을 맞췄다. 주목할 만한 단점으로는 재료 특성, 단상 및 다상 운송, 정화, 반응성 및 선택성이 있다. 이 보고서는 암모니아 붕소와 알레인과 관련된 좁은 맥락에서뿐만 아니라 보다 광범위하고 일반적인 화학적 수소 저장 물질의 맥락에서 화학 수소 저장과 관련된 우리의 연구 결과를 상세히 기술한다. 이 원고는 자동차 용도를 위한 수소 저장의 과제를 관점으로 다룬 출판된 저작을 보완한다.

HSECoE(Hydrogen Storage Engineering Center of Excellence)의 일부로 재료 운영 요구사항(MOR) 기술 영역은 HSECoE 내에서 시스템 모델링 노력과 기타 엔지니어링 노력을 지원하고 화학 수소 저장(CHS)을 선택하여 하위 규모를 입증하기 위한 재료 엔지니어링 특성에 대한 측정 데이터를 제공하였다. 시스템들

재료 공학 특성으로는 수소 용량, 운동학, 열역학, 반응물 및 제품의 밀도, 형태 인자, 점도, 정착/변동, 열 안정성 및 열전도성이 있다. 우리는 재료 그룹, 즉 금속 하이드라이드, 화학 하이드라이드 및 흡착 물질에 대한 후보 재료를 선택하였고, 재료 엔지니어링 특성을 제공하여 문헌의 공백을 메우고 시스템 모델링을 검증했습니다.

MOR(Materials Operational Requirements)는 시스템 모델의 평가를 기반으로 MOR을 충족시키기 위해 화학 수소 저장(CHS) 물질의 성능을 최적화하는 것을 목표로 제정되었다. CHS 재료는 섹션 2.1에 설명된 HSECoEMOR 그룹에 의해 설정된 재료 선택 기준에 따라 선택되었다. 실험 데이터는 서브스케일 시스템 설계를 위한 시스템 모델을 검증하는 데 사용되었다. 문헌과 측정된 데이터는 시스템 모델을 검증하고 개선하기 위해 실험과 모델링 사이의 반복 프로세스에서 시스템 모델링에 사용되었다.

HSECoE 재료의 선택을 정당화하는 방법에 대한 지침이 개발되었다. HSECoE 내에서 적용 대상으로 검토되는 자료가 있으려면, 먼저 센터에 그 능력에 대한 대략적인 평가를 제공한 최소 심사 기준을 통과해야 한다.