KR102846830B1

KR102846830B1 - 고효율 다공성 열저장 성형체 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102846830B1
Application number: KR1020230132782A
Authority: KR
Inventors: 홍성국; 김성은; 주종훈; 최수민
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2023-10-05
Filing date: 2023-10-05
Publication date: 2025-08-18
Anticipated expiration: 2043-10-05
Also published as: KR20250049840A

Abstract

본 발명은 고효율 다공성 열저장 성형체 및 그 제조방법\에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다공성 열저장 성형체의 제조방법으로서, 습식파우더 제조공정을 통해 유기잔여물과 금속이온의 혼합물인 유기물을 갖는 char를 제조하는 제1단계; 상기 유기물을 갖는 char를 몰드를 통해 몰딩하는 제2단계; 상기 몰딩된 유기물을 갖는 char를 열처리하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고효율 다공성 열저장 성형체의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고효율 다공성 열저장 성형체 및 그 제조방법{The manufacturing method of heat storage pellet with high heat storage kinetics and high mechanical strength}

본 발명은 고효율 다공성 열저장 성형체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

간헐적인 에너지 생산을 특징으로 하는 신재생에너지원이 늘어가면서 에너지의 수요와 공급이 조화를 이루도록 하는 열에너지 저장 기술이 중요해지고 있다. 열에너지 저장은 크게 현열, 잠열, 열화학적 축열로 구분되며, 그 중 열화학 열저장 기술은 고밀도 및 장기간동안 열저장이 가능하기 때문에 차세대 열저장 기술로써 연구가 활발히 진행되고 있다.

열화학 열저장은 물질들이 화학적으로 변환될 때 발생하는 흡열과 발열을 이용하는 원리로 소재로 염수화물(salt hydrate), 금속 수산화물(metal hydroxide), 산화환원 물질(redox material)등이 연구되고 있다.

다양한 재료들 중에서 수산화마그네슘(Mg(OH)₂)은 가격이 저렴하며 독성이 없고 높은 에너지 밀도를 갖는다. 또한, 수산화마그네슘의 열저장 온도 범위는 200~400 ℃로 산업 폐열을 활용할 수 있어 많은 주목을 받고 있다. 수산화마그네슘의 열저장 원리는 다음과 같이 표현될 수 있다.

Mg(OH)₂(s) = MgO(s)+H₂O(g) : ΔH = 81.0 kJ/mol

기존의 연구들은 주로 수산화마그네슘의 반응 속도를 향상시키기 위해 소재 개발에 집중하였다. 그 예시로 그래핀 산화물, 탄소 나노 튜브 등의 열전도도가 높은 물질 또는 리튬 및 나트륨 염 등의 흡습성의 물질을 첨가된 수산화마그네슘이 있다.

이러한 대부분의 연구들은 파우더 형태로 진행되었다. 하지만 파우더의 경우 미세한 입자로 인해 축방열 시스템에서 물질이 이동할 때 파우더 손실이 동반될 수 있다.

또한, 반복적인 축방열 싸이클에서 쉽게 파우더 뭉치기 때문에 반응 면적이 줄어들어 열저장 성능이 심각하게 저하되는 문제가 발생한다.

따라서 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 수산화마그네슘의 성형체 제조 기술이 필요하다.

하지만 이에 대한 기존 연구는 미미한 실정이며 보통은 단순히 파우더를 패킹(packing)하기 때문에 제조된 성형체는 매우 낮은 구조적 안정성을 보인다.

일본 공개특허 2011-502927 대한민국 등록특허10-2094412 대한민국 공개특허10-2022-0009158 대한민국 등록특허 10-1859112

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 높은 구조적 안정성을 갖으며 동시에 높은 반응 속도와 높은 열저장 성능을 갖는 다공성 구조의 성형체 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 소결 과정 중 유기잔유물이 제거되며 그 자리에 기공이 형성되며 형성된 기공은 큰 기공을 포함하는 넓은 범위의 기공 크기를 갖고, 고온(700-1100 ℃)에서의 소결 과정을 통해 네킹 현상을 유도하여 높은 기계적 강도를 갖는 열저장 성형체 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 큰 기공을 포함한 넓은 기공 분포를 갖기 때문에 넓은 표면적 뿐 만 아니라 물질이 효과적으로 확산될 수 있어 높은 반응 속도를 보이며, 또한, 소결 과정을 통해 네킹 현상을 유도하여 성형체의 기계적 강도를 높일 수 있는, 높은 축방열 성능을 갖는 다공성 구조의 세라믹 성형체 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은 다공성 열저장 성형체로서, 유기잔여물과 금속이온의 혼합물인 유기물을 갖는 char를 몰딩한 후 열처리한 것을 특징으로 하는 고효율 다공성 열저장 성형체로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 유기물을 갖는 char는 습식파우더 제조공정을 통해 얻는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 열처리는 700~1100℃에서의 소결처리인 것읕 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 열저장 성형체는, MgO, CaO, Co₃O₄, Fe₂O₃, .Mn₂O₃, 및 CaCO₃, 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은 다공성 열저장 성형체의 제조방법으로서, 습식파우더 제조공정을 통해 유기잔여물과 금속이온의 혼합물인 유기물을 갖는 char를 제조하는 제1단계; 상기 유기물을 갖는 char를 몰드를 통해 몰딩하는 제2단계; 상기 몰딩된 유기물을 갖는 char를 열처리하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 제3단계는, 소결처리 단계이고, 상기 소결처리에 의해 유기물이 제거되며 기공이 형성되고, 이때 형성된 기공은 수십nm 부터 수십mm까지의 넓은 범위l 기공크기를 특징으로 한다.

또한 상기 소결처리는 700~1100℃에서 진행되어 소결과정을 통해 네킹 현상을 유도하여 높은 기계적 강도를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 습식파우더 제조공정을 통해 얻은 겔(gell)을 태워 유기잔여물과 금속이온의 혼합물인 char를 얻는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1단계와 상기 제2단계에서 하소(calcination) 과정을 거치지 않고 상기 유기물을 갖는 char를 직접적으로 몰딩하여 펠렛형태로 제조하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 습식파우더 제조공정은 페치니 공법(Pechini method)인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 페치니 공법을 통해 금속이온과 하이드록실 카르복실산이 킬레이트된(chleated) 겔을 얻고, 상기 겔을 태워 유기잔여물와 금속이온의 혼합물인 char를 얻는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 다공성 열저장 성형체로서, 앞서 언급한 제2목적에 따른 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 고효율 다공성 열저장 성형체로서 달성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 높은 구조적 안정성을 갖으며 동시에 높은 반응 속도와 높은 열저장 성능을 갖는 다공성 구조의 성형체를 제조할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 열저장 성형체 및 그 제조방법에 따르면, 소결 과정 중 유기잔유물이 제거되며 그 자리에 기공이 형성되며 형성된 기공은 큰 기공을 포함하는 넓은 범위의 기공 크기를 갖고, 고온(700-1100 ℃)에서의 소결 과정을 통해 네킹 현상을 유도하여 높은 기계적 강도를 갖는다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 높은 축방열 성능을 갖는 다공성 구조의 세라믹 성형체 및 그 제조방법에 따르면, 큰 기공을 포함한 넓은 기공 분포를 갖기 때문에 넓은 표면적 뿐 만 아니라 물질이 효과적으로 확산될 수 있어 높은 반응 속도를 보이며, 또한, 소결 과정을 통해 네킹 현상을 유도하여 성형체의 기계적 강도를 높일 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유기물을 갖는 char를 소결한 열저장성형체 제조방법과, 유기물이 없는 상용파우더를 소결한 열저장성형체 제조 과정,
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 제조된 열화학 열저장 성형체의 SEM이미지 a) 700 ℃에서 소결된 sintered N-MgO, b) 1000 ℃에서 소결된 sintered N-MgO, c) 1000 ℃에서 소결된 sintered C-MgO,
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 소결 온도에 따른 sintered N-MgO와 sintered C-MgO의 수화율,
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 소결 온도에 따른 sintered N-MgO와 sintered C-MgO의 수화율,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열화학 열저장 성형체의 micro-CT이미지 a) packed C-MgO b) sintered N-MgO c) sintered C-MgO
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 packed C-MgO, sintered N-MgO, sintered C-MgO의 기공 분포도,
도 7a는 본 발명의 실험예에서, 시간에 따른 packed C-MgO, sintered C-MgO, sintered N-MgO의 수화율
도 7b는 본 발명의 실험예에서, 시간에 따른 packed C-MgO, sintered C-MgO, sintered N-MgO의 탈수율을 나타낸 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명에 따른 고효율 다공성 열저장 성형체 및 그 제조방법에 대해 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 고효율 다공성 열저장 성형체는, 유기잔여물과 금속이온의 혼합물인 유기물을 갖는 char를 몰딩한 후 열처리한 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명에 따른 고효율 다공성 열저장 성형체는, 유기잔여물과 금속이온의 혼합물인 유기물을 갖는 char를 몰딩한 후 열처리한 것이다. 또한 이러한 유기물을 갖는 char는 습식파우더 제조공정을 통해 얻을 수 있다.

본 발명에서의 열처리는 700~1100℃에서의 소결처리이다.

그리고 본 발명에 따른 열저장 성형체는, MgO, CaO, Co₃O₄, Fe₂O₃, .Mn₂O₃, 및 CaCO₃ 등일 수 있다.

본 발명에 따른 고효율 다공성 열저장 성형체의 제조방법은, 습식파우더 제조공정을 통해 유기잔여물과 금속이온의 혼합물인 유기물을 갖는 char를 제조하는 제1단계; 상기 유기물을 갖는 char를 몰드를 통해 몰딩하는 제2단계; 상기 몰딩된 유기물을 갖는 char를 열처리하는 제3단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 제1단계는, 습식파우더 제조공정을 통해 얻은 겔(gell)을 태워 유기잔여물과 금속이온의 혼합물인 char를 얻는 것일 수 있다.

또한 제1단계와 상기 제2단계에서 하소(calcination) 과정을 거치지 않고 상기 유기물을 갖는 char를 직접적으로 몰딩하여 펠렛형태로 제조한 후, 열처리를 진행하게 된다.

이러한 습식파우더 제조공정은 페치니 공법(Pechini method)일 수 있다.

즉, 상페치니 공법을 통해 금속이온과 하이드록실 카르복실산이 킬레이트된(chleated) 겔을 얻고, 상기 겔을 태워 유기잔여물와 금속이온의 혼합물인 char를 얻는다.

본 발명에서 제3단계는, 소결처리 단계이고, 이러한 소결처리에 의해 유기물이 제거되며 기공이 형성되게 된다.

또한 소결처리는 700~1100℃에서 진행되어 소결과정을 통해 네킹 현상을 유도하여 높은 기계적 강도를 가질 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 높은 축방열 성능을 갖는 다공성 구조의 세라믹 성형체 및 그 제조방법에 따르면, 큰 기공을 포함한 넓은 기공 분포를 갖기 때문에 넓은 표면적 뿐 만 아니라 물질이 효과적으로 확산될 수 있어 높은 반응 속도를 보이며, 또한, 소결 과정을 통해 네킹 현상을 유도하여 성형체의 기계적 강도를 높일 수 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예와 실시예에 따라 제조된 열저장성형체에 대한 실험데이터에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유기물을 갖는 char를 소결한 열저장성형체 제조방법과, 유기물이 없는 상용파우더를 소결한 열저장성형체 제조 과정을 나타낸 것이다. 실험예에서는 유기물이 없는 상용파우더를 소결한 열저장성형체(sintered C-MgO,), 유기물을 갖는 char를 소결한 열저장성형체(sintered N-MgO), 소결하지 않은 유기물이 없는 상용파우더(packed C-Mg)를 제작하여 실험을 진행하였다.

열저장 성형체는 물질을 원활하게 공급하고 축방열시 발생하는 부피 변화에 의한 응력을 완충하기 위해서는 다공성 구조를 가져야한다.

다공성 성형체를 제조하기 위해 습식 파우더 제조 공정 (Pechini 공법)을 기반으로 합성한 나노 파우더 혼합물을 활용할 수 있다. Pechini 공법은 금속 이온과 hydroxyl carboxylic acid 사이의 킬레이트화(chelation)을 기반으로 하는 합성법으로 주로 나노 입자의 금속 산화물을 합성하는데 널리 사용되고 있다.

금속이온과 hydroxyl carboxylic acid가 킬레이트된(chlelated) gel을 태우면 유기잔여물과 금속이온의 혼합물인 Char을 얻을 수 있다.

이를 통해 얻은 Char를 하소(calcination)시키게 되면 금속 이온이 산화되어 생성된 금속 산화물로 이루어진 파우더가 생성되며 이 과정에서 유기잔여물은 제거되나, 본 발명에서는 유기잔유물을 기공 형성제로써 사용하기 위해 Pechini 과정에서 만들어지는 char를 하소(calcination) 과정을 거치지 않고 파우더(유기물을 갖는 char)로 사용하였다.

준비된 유기물을 갖는 Char를 직접적으로 몰딩(molding)하여 pellet형태로 만들었으며 그 후 열처리를 진행하였다. 열처리 동안 유기잔유물이 제거되며 기공이 형성되었으며 하소가 동시에 진행되어 산화마그네슘(MgO)를 얻었다(sintered nitrate-based MgO pellet, 이하에서는 sintered N-MgO로 지칭함).

높은 반응 속도를 위해서는 빠른 물질 확산이 중요하며 이는 기공의 구조에 의해 큰 영향을 받는다. 큰 크기의 기공을 포함하며 넓은 범위의 기공 크기를 갖는 성형체는 넓은 반응면적과 높은 물질 투과도로 인해 높은 반응성을 보인다.

본 발명의 실시예에서는 정제된 크기의 기공 형성제가 아닌 폴리머 구조의 유기잔여물을 기공형성제로 사용함으로써 비정규화된 기공 크기를 유도하였다. 그 결과, Char을 사용함으로써 넓은 기공크기 분포와 함께 작은 입자 크기를 갖는 성형체를 제조하였다.

나아가 성형체의 기계적 강도를 향상시키기 위해 열처리를 보통 MgO의 하소 온도 (550 ℃)보다 높은 온도로 진행하여 소결(sintering)되도록 하였다. 소결 과정에서 넥킹(necking)현상이 발생하는데 넥킹으로 인해 pellet의 입자간의 접촉 강도가 매우 높아지기 때문에 기계적 강도가 향상된다.

Char을 사용하여 형성한 기공 구조 및 작은 입자 크기의 영향을 평가하기 위해 유기 잔여물이 없는 상용 분말을 몰딩 한 후 1000 ℃에서 소결하여 pellet을 제조하였다(sintered C-MgO).

또한 넥킹 현상이 열저장 특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 소결과정을 거치지 않은 패킹된 상용 파우더(packed C-MgO)도 준비하였다.

소결 온도가 증가함에 따라 넥킹 현상이 증가하게 되며 이로 인해 기계적 강도는 증가하지만 반응 면적이 줄어들어 열저장 성능이 감소하게 된다. 따라서 소결 조건의 최적화가 매우 중요하며 이때 소결 온도가 중요한 변수로 작용된다. 소결 온도를 최적화하기 위해 소결온도별 미세 구조를 분석하였으며 열저장 성능을 평가하였다.

도 2는 본 발명의 실험예에 따른 제조된 열화학 열저장 성형체의 SEM이미지 a) 700 ℃에서 소결된 sintered N-MgO, b) 1000 ℃에서 소결된 sintered N-MgO, c) 1000 ℃에서 소결된 sintered C-MgO을 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 주사 전자 현미경(SEM) 이미지를 통해 1000 ℃에서 소결하여 얻은 것과 비교하여 700 ℃에서 소결하여 얻은 sintered N-MgO에서 더 작은 입자 크기와 높은 다공성을 확인할 수 있었다. 그러나 1000 ℃에서 소결된 sintered N-MgO 의 입자 크기는 동일한 온도에서 소결하여 얻은 sintered C-MgO 보다 훨씬 작은 것을 알 수 있다.

도 3은 본 발명의 실험예에 따른 소결 온도에 따른 sintered N-MgO와 sintered C-MgO의 수화율을 나타낸 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, Sintered N-MgO는 소결을 진행하였기 때문에 높은 기계적 강도를 가짐을 알 수 있다. 압축강도(compressive strength)를 측정한 결과, 소결과정을 거치지 않은 packed C-MgO와 비교하여 sintered N-MgO가 약 7배 높은 강도를 보임을 알 수 있다. 이는 소결과정 중 원자level의 확산을 통해 입자간의 접촉력을 매우 높이는 네킹이 발생했기 때문이다.

도 4는 본 발명의 실험예에 따른 소결 온도에 따른 sintered N-MgO와 sintered C-MgO의 수화율을 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 소결 온도별 수화율을 측정한 결과, 700 ~ 1000 ℃에서 소결한 sintered N-MgO의 경우 80 %가 넘는 매우 높은 성능을 보임을 알 수 있다.

이는 파우더 형태의 MgO의 열저장 성능과 비교할 만한 수치이다. 소결 과정을 격은 성형체임에도 불구하고 매우 높은 열저장 성능을 보인다는 것에 큰 의미가 있다. 하지만 1100 ℃에서 소결한 sintered N-MgO의 경우 성능이 급격히 감소된 30%의 수화율을 보이기 때문에 1000 ℃ 이하의 소결온도가 적절하다. 소결온도가 높을수록 기계적 강도가 높은 것을 고려하여 본 발명에서는 1000 ℃의 소결 온도를 채택하였다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 열화학 열저장 성형체의 micro-CT이미지 a) packed C-MgO b) sintered N-MgO c) sintered C-MgO을 나타낸 것이다.

즉, 도 5는 micro-CT 측정을 통해 packed C-MgO, sintered N-MgO, sintered C-MgO의 내부 구조를 재구성한 도면이다. boundary의 내부는 matrix를 의미하며 외부는 기공을 의미한다. boundary의 색은 matrix의 thickness를 의미하며 밝을수록 큰 입자이다. 모든 샘플들이 높은 기공 연결도를 보이며, sintered N-MgO는 독특하게 작은 기공들과 연결된 크고 연결된 기공을 보여준다. 이러한 기공 구조는 대량의 증기 흐름이 쉽고 빠르게 전달되도록 하기 때문에 효과적인 물질 수송이 가능하다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 packed C-MgO, sintered N-MgO, sintered C-MgO의 기공 분포도를 Mercury porosimeter를 통해 sintered N-MgO, sintered C-MgO, packed C-MgO의 기공 크기 분포와 기공률를 분석하였다.

도 6에 도시된 바와 같이, sintered N-MgO의 경우, 60%의 기공률과 함께 10 nm - 10 μm 범위의 넓은 기공 분포를 보임을 알 수 있다. 기공률은 다른 샘플들과 큰 차이를 보이지 않지만 다른 샘플들에 비해 큰 크기의 기공들이 많이 분포하였다.

도 7a는 본 발명의 실험예에서, 시간에 따른 packed C-MgO, sintered C-MgO, sintered N-MgO의 수화율, 도 7b는 본 발명의 실험예에서, 시간에 따른 packed C-MgO, sintered C-MgO, sintered N-MgO의 탈수율을 나타낸 것이다.

적, packed C-MgO, sintered C-MgO 와 비교하여 sintered N-MgO의 열저장 성능을 평가하였다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, sintered N-MgO가 다른 샘플들에 비해 높은 수화 및 탈수 속도를 보임을 알 수 있다.

같은 소결 과정을 거친 sintered C-MgO와 비교하였을 때 비슷한 기공률에도 불구하고 sintered N-MgO가 확연히 높은 축방열 성능을 보이는 것은 pechini 공법을 활용하여 얻은 char을 파우더로써 사용하여 넓은 기공분포도를 확보하였기 때문이다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

다공성 열저장 성형체로서,
습식파우더 제조공정을 통해 유기잔여물과 금속이온의 혼합물인 유기물을 갖는 char를 제조하고, 상기 유기물을 갖는 char를 몰드를 통해 몰딩한 후, 상기 몰딩된 유기물을 갖는 char를 열처리한 것이고,
상기 열처리는 산화분위기 700~1100℃에서 소결처리가 진행되어 소결과정을 통해 네킹 현상을 유도하여 높은 기계적 강도를 갖고,
상기 열저장 성형체는, MgO, CaO, Co₃O₄, Fe₂O₃, .Mn₂O₃, 및 CaCO₃, 중 적어도 어느 하나이고,
상기 열처리 전까지는 하소(calcination) 과정을 거치지 않고 상기 유기물을 갖는 char를 직접적으로 몰딩하여 펠렛형태로 제조되는 것을 특징으로 하는 고효율 다공성 열저장 성형체.
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제 1항에 따른 다공성 열저장 성형체의 제조방법으로서,
습식파우더 제조공정을 통해 유기잔여물과 금속이온의 혼합물인 유기물을 갖는 char를 제조하는 제1단계;
상기 유기물을 갖는 char를 몰드를 통해 몰딩하는 제2단계;
상기 몰딩된 유기물을 갖는 char를 열처리하는 제3단계;포함하고,
상기 제1단계는,
습식파우더 제조공정을 통해 얻은 겔(gell)을 태워 유기잔여물과 금속이온의 혼합물인 char를 얻고,
상기 제3단계는, 소결처리 단계이고,
상기 소결처리에 의해 유기물이 제거되며 기공이 형성되는 것을 특징으로 하는 고효율 다공성 열저장 성형체의 제조방법.
상기 소결처리는 700~1100℃에서 진행되어 소결과정을 통해 네킹 현상을 유도하여 높은 기계적 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 고효율 다공성 열저장 성형체의 제조방법.
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제 5항에 있어서,
형성된 상기 기공은 수십nm 부터 수십mm까지의 넓은 범위의 기공크기를 갖는 것을 특징으로 하는 고효율 다공성 열저장 성형체의 제조방법.
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제 5항에 있어서,
상기 습식파우더 제조공정은 페치니 공법(Pechini method)인 것을 특징으로 하는 고효율 다공성 열저장 성형체의 제조방법.
제 11항에 있어서,
상기 페치니 공법을 통해 금속이온과 하이드록실 카르복실산이 킬레이트된(chleated) 겔을 얻고, 상기 겔을 태워 유기잔여물와 금속이온의 혼합물인 char를 얻는 것을 특징으로 하는 고효율 다공성 열저장 성형체의 제조방법.
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