Research



(1) 열에너지 저장 및 수송물질 개발 - 아이스슬러리(ice slurry), 상변화물질(PCM)


아이스슬러리는 수십미크론 크기의 미세한 얼음이 물 또는 수용액에 분산되어 유동성을 가지며 동결점 부근의 온도를 유지하는 열매체(thermal media)입니다. 아이스슬러리는 큰 융해잠열량과 열전달이 우수한 장점으로 인해 건물 냉방, 식품 저온냉장, 생체 의료 열매체 등 다양한 산업 분야에 적용되고 있습니다. 하지만 아이스슬러리를 제조 및 유지하는 데 있어서 복잡하고 비용이 많이 들어 활용하는 데 어려움이 따릅니다. 본 연구실에서는 아이스슬러리를 연속적으로 제조하는 기술 및 장치를 실험을 통하여 개발하였습니다.

Fig. 1 A snapshot of ice slurry.

(2) 신∙재생에너지 이용 열시스템 – 폐열이용 중/저온형 열펌프시스템, PCM충전 열교환기

상변화물질(Phase Change Material) 역시 고액 상변화를 통하여 잠열량을 이용하는 열매체로서 물도 상변화물질의 하나입니다. 종류도 다양하고 기성 제품으로 유통되고 있는데 물과는 달리 물리적, 화학적, 환경적으로 문제를 안고 있습니다. 하지만 사용 온도가 다양해서 신∙재생에너지 및 폐열과 함께 열 시스템의 안정적이고 고효율 운전에 활용할 수 있는 열매체입니다. 본 연구실에서는 축열식 열교환기에 상변화물질이 하나가 충전된 경우와 서로 다른 2개가 충전된 경우에서 축열 및 방열에 따른 열전달 특성을 수치해석 및 실험을 통해 파악하였습니다. 또한 이들 결과를 바탕으로 서로 다른 상변화물질을 충전할 수 있는 이중 원통다관형 열교환기(Double shell and tube heat exchanger) 및 축열식 판형 열교환기(Thermal energy storage type plate heat exchanger)를 설계하고 개발하였습니다. (특허)


Fig. 2(a) Double shell and tube heat exchanger(HX).

Fig. 2(b) Thermal energy storage type plate HX.

(3) 착상 및 제상 거동에 관한 실험

냉장 또는 냉동창고에서 증발기 코일 상의 착상(frost) 및 제상(defrost)에 따른 냉동시스템의 성능 변화를 실험을 통하여 파악하였으며, 제상이 냉동사이클 성능에 미치는 영향에 있어서 전기적 제상과 응축기 폐열 이용 제상과를 실험을 통하여 비교하였습니다. 본 연구를 통하여 실제 저온저장고에 응축기 폐열 축열식 제상장치를 설계하였습니다. (특허)

Fig. 3 defrost device and cycle (a)electric heater 4-20-30, (b)TES 4-20-40, (c)TES 6-10-20(trfg-tdefrost-Tlimiter)

(4) 연료전지(Fuel cell) 스택* 내부 기체확산층(GDL)에서 수분 동결에 관한 실험

연료전지는 신∙재생에너지의 한 분야로서 열역학적 사이클에 의한 에너지 변환이 아닌 전기화학적인 에너지 직접 변환 장치입니다. 하지만 연료전지(특히 자동차용) 스택(stack) 내부에서 직접 변환 과정 중에 발생하는 수분은 겨울철에 저온에 노출되어 동결을 일으키고 시스템의 안정적인 전력 생산에 영향을 줍니다. 본 연구실에서는 기체확산층 내 수분의 냉각에 따른 동결 거동을 확인하였으며 실제 시스템에 적용시킬 수 있는 중요한 자료를 획득하였습니다.

*연료전지 구성단위로서 전극, 기체확산층, 분리막, 전해질 등으로 구성됨.

Fig. 4  Contact angle to cooling cycle(upper left); Supercooling degree to water droplet(upper right); SEM images of PTFE coated carbon fiber in GDL: (a) initial (b) after cycle test(damaged) (lower figs)

(5) 열물성 측정 및 해석 - PCM, 수용액, 분자동역학(Molecular Dynamics)* 시뮬레이션

PCM, 물 또는 수용액 구성 물질에 대한 모델로 분자동역학 계산을 통해 열 물리적 거동을 살피고 계산 결과를 바탕으로 물질의 열물성(비열, 열전도도, 물질확산계수, 융점, 잠열 등)을 파악하는 연구로서, 순수하게 계산에 의존하는 분야입니다.

*분자(molecules) 수준 모델을 바탕으로 각 분자 사이에 뉴턴 운동법칙을 적용시켜 분자집단의 동적 거동을 파악하는 시뮬레이션 기술






Fig. 5 Heating processes to each ice crystal of 576 water molecules: (a) ferromagnetic and (b) anti-ferromagnetic ice.