발간 현황

NaBH₄ 열분해 실험을 위해 고체상태의 NaBH₄를 분말로 분쇄 후 프레스를 이용해 26.8 N/mm²으로 압착하였다. 이후 중앙에 홀을 뚫어 중공 형태의 그레인을 제작하였다. NaBH₄ 열분해 시 발생하는 수소가스의 연소를 위해 산화제로 공기를 사용하였다. NaBH₄ 열분해 시 발생하는 수소 가스가 수소 화염으로 확산되기 위해서는 수소 가스가 지나가는 그레인 중앙의 홀 크기를 수소 화염의 소염거리 이상으로 확보해야 한다. 일반적으로 수소 화염의 소염 거리는 0.64 mm이다[13]. 그레인의 직경을 2 mm 이하로 했을 경우 NaBH₄는 열분해 되어 수소가스는 발생하지만 화염으로 전달되지는 않았다. NaBH₄ 열분해 시 발생하는 수소 가스를 수소 화염으로 확산시키기 위해 충분한 공기가 공급되도록 그레인의 산화제 공급 공간을 충분히 확보해야 한다. 알루미늄 분말 점화 실험에서 NaBH₄ 그레인 홀 중앙으로 Al 분말 이송관이 통과하게 된다. 분말 이송관의 직경은 6.3 mm으로 그레인 홀 직경을 Fig. 1과 같이 13 mm로 제작하여 Al 분말 분사 튜브를 설치했을 때 3.35 mm의 간격을 두어 충분한 양의 산화제가 공급 되도록 제작하였다.

Fig. 1 
NaBH₄ grain shape.

제작된 그레인을 Fig. 2와 같이 점화기에 채워 넣고 그레인 전단에 히터를 설치하였다. NaBH₄를 열분해 하기 위해 FKK사의 SIN 세라믹 점화 히터를 사용하였다. 히터는 65 W의 전력을 사용하여 5초 이내에 1300 ℃까지 상승한다[14]. SIN 세라믹 히터를 사용하여 NaBH₄ 그레인을 국부적으로 가열하여 화염을 확산 시키는 방법을 사용하였다. 히터의 발열 면적은 4.9 mm²이다. 히터는 NaBH₄ 열분해 시 발생하는 수소가스가 점화되는 이후에 전원 공급을 중단하였다. 수소 연소를 위한 산화제로는 공기를 사용하였으며, 공기 유량은 MFC를 이용하여 제어하였다. NaBH₄ 점화 시 순간적으로 압력이 상승하여 가스가 역류하는 것을 방지하기 위해 MFC와 점화기 사이에 체크밸브를 설치하였으며, 수소화염의 역화를 방지하기 위해 메탈폼을 NaBH₄ 그레인 전단에 설치하였다.

Fig. 2 
Schematic diagram of the NaBH₄-based hydrogen combustor.

산화제 공급 유량에 따른 NaBH₄의 연소 특성을 분석하기 위해 Table 1과 같이 공기를 공급해 공기 유량에 따른 열분해 속도 및 수소발생 속도를 측정하였다. NaBH₄ 그레인의 무게는 30 g이며, 100% 열분해 시 수소 발생량은 약 39 L이다.

NaBH₄ 기반 수소 점화 시스템을 이용하여 알루미늄 점화 가능성 분석을 위한 실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용한 알루미늄 분말은 덕산약품의 알루미늄 분말을 사용하였다. 분말의 입자 크기는 44 μm이다. 알루미늄 분말 분사를 위해 Fig. 3과 같이 분말 분사 장치를 구성하였다. 분말 분사 장치는 가스 가압 방식으로 분사되며, 가압 가스로는 공기를 사용하였다. 공기 공급 유량은 MFC를 이용해 제어하였다.

Fig. 3 
Powder injection device.

일정량의 분말을 분사하기 위해 분말탱크 하단부에 스크류가 관통하고 스크류가 회전하면서 분말을 이송가스 라인으로 공급한다. 스크류의 직경은 9 mm이며, 피치는 10 mm이다. 분말 이송량은 스크류의 rpm 조절을 통해 제어하고, 스크류를 통해 이송된 알루미늄 분말은 공기와 혼합되어 점화기 내부로 분사된다.

알루미늄 분말 연소 실험을 위해 Fig. 4와 같이 NaBH₄ 기반 수소 점화 시스템에 알루미늄 분말 분사튜브를 추가로 설치하였다. 알루미늄 분말 분사튜브는 알루미늄 분말의 연소 효율을 높이기 위해 NaBH₄ 그레인 홀 중앙으로 통과하여 그레인 후단의 수소화염에 직접 분사하게 설치하였다. 이 때 알루미늄 분말 분사를 위한 공기와 NaBH₄ 및 수소, 알루미늄 연소를 위한 공기 공급 유량이 다르기 때문에 공기 공급 라인을 각각 설치하였다.

Fig. 4 
Schematic diagram of aluminum powder combustion experiment setup.

알루미늄 분말 점화 실험을 위해 점화기 내부에 30 g의 NaBH₄ 그레인을 충전하였다. NaBH₄열분해 시 발생하는 수소 화염이 일정하게 유지되었을 때 알루미늄 분말을 분사하였다. 알루미늄 점화 시 발생하는 AlO 화학종 변화를 Photo detector를 이용해 측정하였다. AlO는 알루미늄 점화 및 연소 특성을 평가하는데 사용할 수 있는 중요한 중간 연소 생성물이다. AlO의 특성 스펙트럼은 486 nm에서 가장 높은 피크가 발생한다[15]. 본 연구에서는 THORLABS의 DET 10A2에 486 nm 필터를 장착해 AlO 스펙트럼만을 선별적으로 측정하였다.

NaBH₄는 히터전원 인가 후 5초 이내에 국부적으로 열분해 되면서 수소가스가 발생한다. 수소가스의 자연발화 온도는 500 ℃이다. NaBH₄는 500 ℃에서 열분해가 시작되고, 이때 발생되는 수소가스는 NaBH₄가 분해되는 열에 의해 바로 발화된다. 수소가스가 발화하면서 NaBH₄ 그레인 내부로 열이 전달되고, NaBH₄의 열분해 속도가 증가하면서 30초 이내에 수소화염이 발생된다.

NaBH₄기반의 수소 점화 시스템의 성능 분석을 위해 점화기 내부의 온도변화를 측정하였다. NaBH₄의 수소 탈착 온도는 500 ℃ 이내 이므로 점화기 내부 온도가 500 ℃ 이상에서 NaBH₄의 열분해 및 수소연소가 이루어진다고 가정하였다. NaBH₄의 열분해 특성 분석을 위해 산화제 공급유량에 따른 점화기 내부의 온도변화를 분석하였다. 산화제 공급 유량에 따른 수소 연소시간 및 점화기 내부 온도변화를 Fig. 5에 나타내었다. 측정 결과 Case 1, 2, 3에서 각각 107초, 111초, 77초로 Case 2 조건인 공기를 40 L/min으로 공급하였을 때 가장 길었다.

Fig. 5 
Combustion time and flame temperature with air supply flow rate.

Case 1에서의 연소 시간은 Case 2의 결과와 4초 차이로 거의 유사하지만 점화기 내부 온도가 889.52 ℃로 Case 2의 최대 온도에 비해 164 ℃ 낮은 온도를 보였다. Case 3 조건에서는 최대 온도가 1111.49 ℃로 가장 높은 온도를 나타냈지만 연소 시간이 77초로 가장 짧았다. 공기 공급 유량에 따라 연소 시간이 차이를 보이는 것은 공기가 공급되는 조건에 따라 수소연소 특성이 바뀌면서 NaBH₄ 열분해 속도가 달라지기 때문이다.

Fig 6은 NaBH₄ 열분해 후의 잔여물 상태를 보여주고 있다. NaBH₄는 대부분 열분해 되었으며, 점화기 후단에 미량의 NaBH₄가 남아있음을 확인하였다. 연소 잔여물을 확인하고 NaBH₄ 그레인의 연소율을 90%라고 가정하였을 때 30 g에서 발생되는 수소 양은 35.14 L이다. 이를 각 연소 시간으로 나누어 계산하면 Case 1일 때 19.70 L/min의 수소가 발생하며, Case 2일 때 18.99 L/min, Case 3에서 27.38 L/min의 수소가 발생했다. 이 때 공연비는 Case 1, 2, 3에서 각각 1.52, 2.11, 1.83이다. 공기와 수소의 이론 공연비는 2.4이므로 이론 공연비에 가장 가까운 결과는 Case 2이다.

Fig. 6 
Photographs of the NaBH₄ thermal decomposition before(left) and after(rignt).

산화제 공급 유량에 따른 NaBH₄의 열분해 특성을 분석한 결과 Case 2에서 연소시간이 가장 길었고, 점화기 내부 온도가 1000 ℃ 이상으로 유지됨을 확인하였다. 또한 이론에 가장 가까운 공연비를 보여 Case 2 조건이 알루미늄을 점화하기 위한 가장 좋은 조건이라고 판단하였다. 이후 알루미늄 분말 연소에서 Case 2 조건인 40 L/min으로 산화제를 공급하였다.

산화제 공급 유량에 따른 NaBH₄의 열분해 특성 분석 후 알루미늄 분말 연소를 위한 최적의 조건으로 공기 유량 및 알루미늄 분말 공급 조건을 설정하였다. 알루미늄 분말의 안정적인 연소를 위해서는 점화기 내부 온도를 안정적으로 고온으로 유지해야 한다. Case 2 조건에서 1000℃ 이상의 온도를 40초 이상 유지하는 것을 확인하였으며, 알루미늄 점화를 위해 Case 2 조건인 40 L/min으로 공기를 공급하였다. 알루미늄 분말은 분말 분사장치를 통해 1.5 g/min으로 공급하였다. 이때 알루미늄 분말 분사를 위한 공기는 4.5 L/min으로 점화기 내부로 공급되는 공기는 총 44.5 L/min이다. 먼저 NaBH₄ 열분해를 위해 10초간 히터 전원을 공급하였다. 히터 전원인가 이후 수소 화염이 일정하게 유지되었을 때 알루미늄 분말을 분사하였다.

Fig. 7은 점화기 내부 온도 변화와 알루미늄 연소 시 발생하는 AlO 화학종의 변화를 나타낸 그래프이다. 히터 전원인가 후 20초 이내에 점화기 내부는 500℃까지 상승하였으며, 65초 이후에 950 ℃까지 급격히 상승하고 알루미늄 분사 이후 1000 ℃까지 상승하였다. 486 nm 필터를 장착한 Photo detector를 이용해 알루미늄 연소 시 발생하는 AlO 화학종의 변화를 측정하였다. 알루미늄 분사 이후 AlO 화학종이 발생하는 것을 확인 할 수 있으며 이를 통해 본 점화 시스템을 이용해 알루미늄이 연소하였음을 확인할 수 있다. Fig. 8은 수소 연소와 알루미늄 연소 화염의 차이를 보여주는 사진으로 알루미늄 연소 시 발생하는 흰색 빛의 화염을 확인하였다.

Fig. 7 
Internal of ignitor temperature change and variation of the AlO spectrum intensity.

Fig. 8 
Photograph of hydrogen combustion(left) and aluminum powder(right) combustion.