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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 유창호
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 전북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수6
이 논문의 연구 히스토리 (7)
2020
2019
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본 연구에서는 수소저장합금을 이용하여 구동이 가능하고, 수소 방출 특성을 분석할 수 있는 새로운 액츄에이션 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 시스템 내부 압력의 모니터링 및 제어를 위한 압력센서 및 레귤레이터, 압력계를 설치하였으며, 수소저장합금 모듈의 온도 제어를 위한 펠티어 소자, 쿨링 팬, 온도센서 등으로 구성되었다. 특히, 질량유량제어기(Mass flow controller, MFC)와 공압식 밸브는 시스템의 수소 유량 감지 및 가열/냉각 모드에 따른 시스템 내부 수소의 방향을 제어하기 위하여 사용되었다.
수소저장합금 특성을 분석하기 위하여, 수소 흡수에 의해 구동하는 구동 실린더와 수소 방출로 구동하는 구동 실린더를 각각 설치하였다. 수소저장합금 액츄에이터의 수소 흡수/방출에 따른 스트로크와 속도를 분석하기 위하여, 수소 흡수 특성을 이용한 실린더부의 로드셀과 수소 방출 특성을 이용한 실린더의 거리 측정 센서를 부착하였다. 본 연구에서는 합금의 수소 방출 특성만을 테스트 하였으므로 두 번째 실린더만을 이용하여 실험을 진행하였다. 시스템에 설치된 기기와 센서의 제어는 LabVIEW 기반의 하드웨어 및 소프트웨어를 사용하였다.
본 시스템의 실제 구동을 확인하기 위하여 Zr0.9Ti0.1Cr0.6Fe1.4 합금을 이용해 활성화 및 수소 방출 실험을 수행하였다. 제작한 합금의 미세구조 및 조성을 확인하기 위하여 HRXRD, FE-SEM, ICP-OES 분석을 수행하였고, 8.56 g의 합금을 시스템 외부 온도 19-21 ℃, 수소 압력 4 MPa으로 1회 활성화 진행한 뒤 수소 흡착량 측정과 수소 방출실험을 실시하였다. 수소 흡착량은 1.47 wt%로 나왔으며, 수소 방출 실험은 5 kg, 10 kg, 15 kg, 20 kg의 하중조건과 5 ℃씩 증가시킨 25 ~ 80 ℃의 온도조건에서 진행되었다. 펠티어 소자에 가해지는 전압 및 전류는 5.0 V와 2.5 A였다. 각 온도별로 5분씩 모듈을 가열하였으며, 수소 방출 반응이 있는 온도부터는 20분간 모듈을 가열하였다. 70 ℃부터 수소가 방출함을 확인하였다. 70 ℃에서는 5 kg, 10 kg의 하중을 각각 87 mm, 19mm, 75 ℃에서는 5 kg, 10 kg, 15 kg의 하중을 각각 131 mm, 70 mm, 15 mm, 80 ℃에서는 5 kg, 10 kg, 15 kg, 20 kg의 하중을 각각 150 mm, 83 mm, 55 mm, 28 mm 상승시킴을 확인하였다.
본 실험을 통해 새로운 액츄에이션 시스템의 실제 구동 성능을 확인할 수 있었으며, 온도 변화에 따른 수소저장합금의 수소 방출과, 수소저장합금에 가해지는 온도의 증가에 따라 수소저장합금이 방출할 수 있는 수소 압력이 증가하는 경향을 보임을 실제 실험을 통해 확인할 수 있었다. 향후 연구에는 수소저장합금의 질을 높이고, 최소 3회 이상의 수소 활성화 과정을 거친 후 수소저장합금 액츄에이터 실험을 진행할 예정이다. 또한 시스템의 크기를 줄이는 연구를 수행하여, 다양한 분야에 적용할 수 있는 소형 액츄에이션 시스템 개발을 진행할 예정이다.
수소저장합금 특성을 분석하기 위하여, 수소 흡수에 의해 구동하는 구동 실린더와 수소 방출로 구동하는 구동 실린더를 각각 설치하였다. 수소저장합금 액츄에이터의 수소 흡수/방출에 따른 스트로크와 속도를 분석하기 위하여, 수소 흡수 특성을 이용한 실린더부의 로드셀과 수소 방출 특성을 이용한 실린더의 거리 측정 센서를 부착하였다. 본 연구에서는 합금의 수소 방출 특성만을 테스트 하였으므로 두 번째 실린더만을 이용하여 실험을 진행하였다. 시스템에 설치된 기기와 센서의 제어는 LabVIEW 기반의 하드웨어 및 소프트웨어를 사용하였다.
본 시스템의 실제 구동을 확인하기 위하여 Zr0.9Ti0.1Cr0.6Fe1.4 합금을 이용해 활성화 및 수소 방출 실험을 수행하였다. 제작한 합금의 미세구조 및 조성을 확인하기 위하여 HRXRD, FE-SEM, ICP-OES 분석을 수행하였고, 8.56 g의 합금을 시스템 외부 온도 19-21 ℃, 수소 압력 4 MPa으로 1회 활성화 진행한 뒤 수소 흡착량 측정과 수소 방출실험을 실시하였다. 수소 흡착량은 1.47 wt%로 나왔으며, 수소 방출 실험은 5 kg, 10 kg, 15 kg, 20 kg의 하중조건과 5 ℃씩 증가시킨 25 ~ 80 ℃의 온도조건에서 진행되었다. 펠티어 소자에 가해지는 전압 및 전류는 5.0 V와 2.5 A였다. 각 온도별로 5분씩 모듈을 가열하였으며, 수소 방출 반응이 있는 온도부터는 20분간 모듈을 가열하였다. 70 ℃부터 수소가 방출함을 확인하였다. 70 ℃에서는 5 kg, 10 kg의 하중을 각각 87 mm, 19mm, 75 ℃에서는 5 kg, 10 kg, 15 kg의 하중을 각각 131 mm, 70 mm, 15 mm, 80 ℃에서는 5 kg, 10 kg, 15 kg, 20 kg의 하중을 각각 150 mm, 83 mm, 55 mm, 28 mm 상승시킴을 확인하였다.
본 실험을 통해 새로운 액츄에이션 시스템의 실제 구동 성능을 확인할 수 있었으며, 온도 변화에 따른 수소저장합금의 수소 방출과, 수소저장합금에 가해지는 온도의 증가에 따라 수소저장합금이 방출할 수 있는 수소 압력이 증가하는 경향을 보임을 실제 실험을 통해 확인할 수 있었다. 향후 연구에는 수소저장합금의 질을 높이고, 최소 3회 이상의 수소 활성화 과정을 거친 후 수소저장합금 액츄에이터 실험을 진행할 예정이다. 또한 시스템의 크기를 줄이는 연구를 수행하여, 다양한 분야에 적용할 수 있는 소형 액츄에이션 시스템 개발을 진행할 예정이다.
목차
List of Tables ⅲList of Figures ⅳChapter 1. Introduction 11.1. Background and Necessity 11.2. Previous Studies 31.3. Objectives and Contents 6Chapter 2. Theoretical Background 82.1. Hydrogenation of the Hydrogen Storage Alloy 82.2. Types of Hydrogen Storage Alloys 122.3. Hysteresis Phenomenon 142.4. Sloping Phenomenon 17Chapter 3. Material Characterization 183.1. Preparation of the Hydrogen Storage Alloy 183.2. Characteristics Analysis 213.2.1. HRXRD (High-resolution X-Ray Diffraction) 213.2.2. FE-SEM (Field-Emission Scanning Electron Microscope) 233.2.3. ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry) 273.2.4. Hydrogen Absorption Kinetics 29Chapter 4. Experimental Procedure 304.1. System Configuration 304.1.1. Actuation System 304.1.2. Pressure and Flow Control 374.1.3. Hydrogen Storage Alloy Module 394.1.4. System Control Program using LabVIEW 434.2. Methods 534.2.1. Activation Process 534.2.2. Actuation Test 56Chapter 5. Results and Discussion 59Chapter 6. Conclusion 65APPENDIX 67Published Journal 67Conference Paper 68Reference 72Abstract 78
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