GM 초저온 냉동기를 이용한 수소액화 특성에 관한 연구

Abstract

수소에너지를 사용하기 위한 인프라 구축의 일환으로 수소스테이션 개념의 소형수소액화장치의 보급은 필수적이다. 따라서 수소를 에너지밀도가 높은 액체수소의 형태로 변환하여 수송 및 저장이 간편하고 저장효율이 높은 기술을 개발하고자 GM 냉동기를 이용한 직접냉각방식의 소형액화시스템을 설계, 제작하고 그 성능특성에 대한 실험을 수행하였다. 이에 따른 액화용기, 단열용기, 복사쉴드, 온도, 압력, 유량 및 전력계, 진공시스템 등으로 소형수소액화 실험장치를 구성하였다. 냉각용 GM 냉동기의 무부하 성능실험과 warm-up 실험결과, 본 액화장치의 단열시스템 관련 설계 및 제작이 적절하였음을 검증하였다. 특히 기존의 직접냉각방식의 연구에 비해 본 실험장치의 액화시스템 효율은 전반적으로 향상되었고 이는 최대액화량 기준으로 280%의 액화량 증가를 통해 확인할 수 있었다.

액화장치의 냉각특성 및 액화성능 실험은 초기온도 288K에서 액화용기 내 수소 충전압력을 0.1~0.4MPa 까지 변화시키면서 수행한 결과는 다음과 같이 얻어졌다.

(1) 액화소요 시간은 압력이 증가할수록 감소하였고 압력 0.1MPa 증가 당 액화온도는 약 1.5℃씩 상승하였다.

(2) 수소의 액화량은 압력 0.1MPa 증가 당, 각각 26%, 12%, 8%씩 상승하였다.

(3) 액화효율은 압력이 증가할수록 상승하였고 본 실험의 압력범위에서 FOM은 0.111~0.161의 값을 나타내었다.

(4) 액체질소 예냉의 효과는 10%의 액화량 증가를 나타내었다.

(5) 사용된 촉매 FeO(OH), 활성탄, 실리카겔 중에서 FeO(OH)의 변환효율이 가장 높아, 수소액화에 가장 효과적임을 알 수 있었다.

(6) 변환촉매를 사용한 경우 단위 액화량당 액화소요 시간, 입력일은 증가하였고 FOM은 감소하였다.

본 실험의 연구결과 유량과 입력일, 저장된 액체수소의 포화압력을 통해 0.3MPa 이상에서 액화량이 현격하게 증가되는 것을 알 수 있었다. 따라서 소형수소액화장치의 성능을 극대화시키기 위해서는 압력을 높이고 액체질소 예냉을 통해 액화량 증가를 도모해야 할 것이다. 또한 액체수소의 저장과 이용까지 고려한다면 냉각과정 중 적절한 촉매를 사용하여 저장효율이 높은 para-수소로의 변환이 필요하다.