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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

권해성 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수
서태범
발행연도
2013
저작권
인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (5)

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본 연구에서는 접시형 태양열 집광 시스템을 이용하여 얻은 고온을 이용하여 금속산화물의 산화·환원 반응이 일어나는 2단계 열화학 사이클의 수소 생산 실험을 수행하였다. 5kWth급의 접시형 태양열 집광 장치에서 얻을 수 있는 온도는 일사량 조건에 따라 2000℃에 근접하며, 고온에서의 반응을 견딜 수 있는 반응기 설계를 수행하였다. 고온이 형성되는 반응기 내부에 알루미나를 사용하여 고온의 온도를 견딜 수 있게 제작하였으며, 가장 최근에는 스테인리스 재질의 플렌지를 사용하여 제작하였다.
실험에 쓰인 금속산화물인 NiFeO4/m-ZrO2 산화물과 CeO2 산화물의 열화학반응에 필요한 온도는 900~1600℃이며, 각 반응 중에서 환원단계의 진행 시간은 온도에 따라 좌우된다.
실내에서의 인공 광원을 이용한 실험에서 성능이 검증된 금속산화물을 사용하여 실제 일사 조건에서의 수소 생산 성능을 평가하였다. 실험 결과 NiFeO4/m-ZrO2 산화물의 경우 최대 9회의 수소 생산 사이클을 유지하였다. 수소 생산량은 2185.94ml로 나타났고, 페라이트 전환율은 평균 24.63%로 확인되었다. CeO2 산화물은 최대 2회의 수소 생산 사이클을 유지하였으며, 수소생산량은 405.71ml이고 세륨 전환율은 4.4%로 확인되었다.

목차

1. 서 론 1
1-1. 연구 배경 1
1-2. 국내외 연구 동향 2
1-3. 연구 목표 4
2. 열화학 사이클 5
2-1. 2 단계 물분해 열화학 반응 5
2-2. 금속산화물 7
2-2-1. 금속산화물의 정의 7
2-2-2. 실험에 사용할 수 있는 금속산화물의 선정 8
2-2-3. 금속산화물의 제조 방법 10
2-2-4. 실험에 사용된 금속산화물의 제원 13
3. 실험장치 및 방법 17
3-1. 실험장치 17
3-1-1. 접시형 태양열 집광 시스템 17
3-1-2. 화학반응기 22
3-1-2-1. 1차 반응기 22
3-1-2-2. 2차 반응기 24
3-1-2-3. 3차 반응기 26
3-1-3. 수증기 공급 장치 28
3-1-4. Chiller 31
3-1-5. G.C(Gas Chromatography) 31
3-2. 실험 방법 33
3-2-1. 질소 가스 Purging 단계 33
3-2-2. T-R(Thermal Reduction) 단계 33
3-2-3. W-D(Water Decomposition) 단계 33
3-2-4. 결과 데이터의 계산 35
4. 실험 결과 37
4-1. 1차 니켈-페라이트 금속산화물을 이용한 실험 37
4-2. 2차 니켈-페라이트 금속산화물을 이용한 실험 40
4-3. 3차 니켈-페라이트 금속산화물을 이용한 실험 43
4-4. 4차 니켈-페라이트 금속산화물을 이용한 실험 47
4-5. 1차 세륨 금속산화물을 이용한 실험 53
5. 결론 56
6. 참고 문헌 58
Table. 1 Available metal oxides 9
Table. 2 Reaction formula of available metal oxides 9
Table. 3 Specification of NiFeO4/m-ZrO2 Metal Oxide 15
Table. 4 Specification of CeO2 Metal Oxide 16
Table. 5 Specifications of the dish system 20
Table. 6 Specification of Dispensing Peristatic Pump 30
Table. 7 Hydrogen production and conversion rate of the first experiment 39
Table. 8 Hydrogen production and conversion rate of the second experiment 42
Table. 9 Hydrogen production and conversion rate of the third experiment 46
Table. 10 Hydrogen production and conversion rate of the fourth experiment 52
Table. 11 Hydrogen production and conversion rate of the fifth experiment 55
Fig. 1 Process of NiFe2O4/ZrO2 coat method 11
Fig. 2 Process of CeO2 coat method 12
Fig. 3(a) M.P.S.Z(MgO-partially-stabilized Zirconia foam) 14
Fig. 3(b) NiFeO4/m-ZrO2 Metal Oxide 14
Fig. 3(c) CeO2 Metal Oxide 15
Fig. 4 Dish type solar thermal system 19
Fig. 5 Schematic diagram of system 20
Fig. 6 Pyrheliometer (NIP&ST-1) 21
Fig. 7 Solar sensor 21
Fig. 8 Schematic of the first reactor 23
Fig. 9 The front of the first reactor 23
Fig. 10 Schematic of the second reactor 25
Fig. 11 The front of the second reactor 25
Fig. 12 Schematic of the third reactor 27
Fig. 13 The front or side of the third reactor 27
Fig. 14 Schematic of generating steam system 29
Fig. 15 Steam generator 29
Fig. 16 Chiller 32
Fig. 17 Gas Chromatography (Agilent 7890A) 32
Fig. 18 Schematic of the two-step cycle 34
Fig. 19 Sample data for detecting a hydrogen gas 36
Fig. 20 Insolation and metal oxide surface temperature of the first experiment 38
Fig. 21 Metal oxide shape after the first experiment 38
Fig. 22 Quart window shape after the first experiment 39
Fig. 23 Amount of hydrogen production of the first experiment 39
Fig. 24 Sintering phenomenon after the first experiment 41
Fig. 25 Insolation and metal oxide surface temperature of the second experiment (a) 1st cycle (b) 2nd cycle 41
Fig. 26 Amount of hydrogen production of the second experiment (a) 1st cycle (b) 2nd cycle 42
Fig. 27 Insolation and metal oxide surface temperature of the third experiment (a) 1st cycle (b) 2nd cycle (c) 3rd cycle (d) 4thcycle (e) 5th cycle 44
Fig. 28 Amount of hydrogen production of the third experiment (a) 1st cycle (b) 2nd cycle (c) 3rd cycle (d) 4thcycle (e) 5th cycle 45
Fig. 29 Insolation and metal oxide surface temperature of the fourth experiment (a) 1st cycle (b) 2nd cycle (c) 3rd cycle (d) 4th cycle 48
Fig. 30 Insolation and metal oxide surface temperature of the fourth experiment (e) 5th cycle (f) 6th cycle (g) 7th cycle (h) 8th cycle (i) 9th cycle 49
Fig. 31 Amount of hydrogen production of the fourth experiment (a) 1st cycle (b) 2nd cycle (c) 3rd cycle (d) 4th cycle 50
Fig. 32 Amount of hydrogen production of the fourth experiment (e) 5th cycle (f) 6th cycle (g) 7th cycle (h) 8th cycle (i) 9th cycle 51
Fig. 33 Insolation and metal oxide surface temperature of the first experiment (a) 1st cycle (b) 2nd cycle 54
Fig. 34 Amount of hydrogen production of the fifth experiment (a) 1st cycle (b) 2nd cycle 55

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