열저장을 위한 상변화 물질의 미세켑슐화

윤우석*, 전명석, 이태규, 주현규, 설용건*, 김종국**,

한국에너지기술연구소, 연세대학교 화학공학과*, 건양대학교 화학공학과**

Microencapsulation of Phase Change Material for Thermal Energy Storage

Wooseok Yoon*, M. S. Jeon, T. K. Lee, Hyunku Joo, Y. G. Shul*, J. K. Kim**

Korea Institute of Energy Research, Dept. of Chem. Eng., Yonsei University*,

Dept. of Chem. Eng., Kunyang University**

서론

태양에너지의 공급과 소비의 시간적, 장소적 불일치를 해소하기 위해서는 에너지 저장에 대한 연구가 필요하다. 이들 저장 방법중 물질의 상태가 변할때 등온에서 흡수 또는 방출하는 잠열을 이용한 축열 방법이 축열 밀도가 크기 때문에  많이 연구되고 있다. 그중 무기염이나 여러 유기물이 잠열 저장물질로서 널리 연구되어 왔다. PCM (Phase Change Material) 중 무기염 수화물은 열전도도등 여러 장점을 갖고 있으며 유기물은 취급이 쉽고 과냉각이나 상분리 현상이 없는 장점이 있다. PCM기술의 기본은 결정화 및 용융공정의 이해를 필요로 하고 재결정 즉 저장열이 제거가 가장 중요한 공정으로서 재결정을 위한 핵생성, 과냉각 현상, 열전도도가 중요한 공정 변수가 된다. 따라서 본 연구에서는 상온 축열물질로서 작동 온도 범위 및 비용면에서 가장 적절한 비조화형 축열재인 CH3COONa 3H2O와 조화형 축열재인 Myristic acid를 사용하였다. 이러한 PCM을  미세한 구형의 캡슐화된 PCM으로 제조하면 상분리로 인한 성능의 저하 및 열전달 지연으로 인한 열 회수시의 문제점이 없다. 그리고 미세캡슐 자체가 상품으로서 가치와 활용도를 제고시킬수 있다.  이와같은 Encapsulated PCM core를 이용한 축열방법은 에너지 저장밀도가 크기 때문에 축열기의 부피를 크게 줄일 수 있으며 거의 일정한 온도에서 열에너지를 저장하고 회수할 수 있음으로 균일한 수준의 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한 태양열시스템 및 난방시스템에 활용하기 위해서 축열기의 부피가 작을수록 유리하므로  잠열 축열 시스템이 최적이라고 할 수 있다.

실험

1. 상분리 및 과냉각 실험.

PCM 물질로서 사용된 CH3COONa·3H2O는 증점제로 Gelatin, 조핵제로는 CH3COONa·3H2O와 결정구조가 비슷한 Na2P2O7·10H2O를 사용하여 각 조성에 따른 상분리 현상 및 과냉각을 관찰하였다. 연속적인 용융-동결 실험을 수행하기 위하여 조제된 PCM을 온도조절기가 설치된 항온조 넣어 30oC ~ 70oC의 범위에서 반복실험 하였다. 본 상분리 실험장치는 내부를 관측할 수 있도록 투명 유리로 제작 하였으며 상분리 현상을 정량하기 위해 눈금 있는 시험관을 사용하였다. 상분리 실험장치내의 눈금 있는 시험관에 제조된 PCM 균일 콜로이드 용액의 정량을 취하여 용융-동결 싸이클 실험에 의한 상분리현상 및 자동온도 기록계에 의하여 간접적으로 과냉각 현상을 측정하였다.

2. 연속적인 PCM core 제조

최적의 PCM 혼합조성을 결정한후 조성된 PCM을 용융시키기 위하여 Hot plate를 이용하여 용융상태의 PCM이 일정온도(80oC)를 유지하도록 하였다. 용융상태의 PCM은 정량 metering 펌프를 통해 이동하고 노즐을 통해 방출됨으로서 구형의 PCM입자가 되고 이는 액체질소통에서 고화된다. 테프론튜브를 통하여 운송되는 용융 PCM의 원활한 이송을 위하여 모든 튜브는 Heating tape와 온도조절기를 이용하여 80oC로 유지하였다. 정량펌프에는 유속을 정밀하게 조절하였으며, 특히 노즐에서 용융 PCM의 동결을 방지하기 위하여 노즐을 유리관으로 싸고 Heating tape로 가열하였다. 이렇게 연속적으로 직경 1 mm이하 구형 PCM core를 생산 하였다.

3. PCM 입자코팅

제조된 구형 PCM core의 코팅장치는 독일의 Glatt사의 Rotor-tangential spray coater를 이용하여 CH3COONa·3H2O 입자와 Myristic acid 입자를 코팅하였다. 전자인 경우 1차적으로는 PMMA 코팅을 하고 2차적으로는 wax 코팅, 다시 최종적으로 3차 PMMA코팅을 함으로서 용융-동결시 PCM의 결정수 누출을 방지하고 기계적 강도를 향상시켰다. 한편 유기지방산계 PCM인 Myristic acid는 결정수의 누출이 없으므로 PMMA층만의 코팅으로 기계적 강도를 강화하였다.  PCM core 코팅장치의 운전조건은 Table. 1과 같다. 이렇게 만들어진 각각의 코팅전 PCM 과 코팅후 PCM을 DSC(Differential Scanning Calorimeter)로 열량을 분석하여 cycle test에 의한 성능을 평가하였다.

Table. 1 Experimental condition of PCM coater

Coater	Roater-tangential spray coater
Capacity of one batch	2kg
PCM particle	1 mm이하
Air velocity	9 - 10 m/sec
Product pressure	1 Kpa
Nozzle pressure	15 psi
Coating solution	PMMA 10% in (CHCl3 : toluene = 1:1) Wax 10% in (CHCl3 : toluene = 1:1) PMMA 10% in (CHCl3 : toluene = 1:1)

3. 결론 및 검토

본 연구의 목표는 상변화 물질의 미세 Core를 제조하고, 코팅을 실시하여 미세캡슐을 제조함으로서 기존의 상변화물질의 활용시 나타나는 제반 단점들을 보완하는데에 있다. 이를 위하여 지금까지 많이 연구되어 온 상변화 물질 중에서 열저장 시스템에서 태양열을 효율적으로 사용하기 위한 축열-방열 온도범위에 적합한 무기수화물인 CH3COONa·3H2O PCM이 지니고 있는 과냉각과 상분리 현상을 억제할 수 있는 첨가제를 선정하였으며 제반성질의 실험결과를 통하여 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.

DSC를 이용한 용융-동결 Cycle test를 정량적으로 분석한 결과 순수한 CH3COONa 3H2O의 경우 [Fig. 1]과 같이 코팅전은 첫번째 cycle 에서는 용융열이 60.8 cal/g으로 문헌상의 63 cal/g과 유사한 잠열량의 흡열 피이크를 나타내 있으나 그 다음부터는 잠열피이크가 나타나지 않고 현열만을 나타내고 있음을 볼 수 있다. 3차코팅한 PCM [Fig. 2]은 cycle이 진행되면서 연속적인 흡열-발열 피이크가 나타나나 1 cycle에서 잠열량이 순수 sodium acetate trihydrate인 60.8  cal/g 보다 감소된 51.41 cal/g을 볼수 있는데 이는 3차로 코팅된 코팅층의 중량이 DSC에 투입한 Sample 무게에 포함되어 있으므로 전체 무게당 잠열량은 줄어들었다. 그리고 55oC 부근에서 거의 일정한 용융점을 갖고 45oC 부근의 동결점을 갖고 일정한 사이클을 반복하는 것을 알수 있다. 결국 코팅전 PCM은 용융과정에서 결정수가 누출되었으므로 다시 결정화가 되지 못하였고 코팅후 PCM는 용융-동결시 Wax층의 코팅으로 결정수 누출 및 외부 수분이 침투되어지지 못하므로 안정적인 상변화를 하는 것으로 확인되었다. Myristic acid의 경우 [Fig. 3] cycle 진행시 연속적인 피이크를 나타내고 있으며 잠열량[Fig. 4]도 매cycle 마다 거의 동일한 경향을 보여주고 용융점도 50oC에서 거의 일정하게 나타나고 있음으로 유기물인 Myristic acid는 매우 안정적인 상변화를 하는 것으로 판단된다.

참고문헌

1. H. Kimura, Nucleation of Molten Na2SO3 5H2O and Some Other Similar       Hydrates. Thermodynamic Observation, Ind. Eng. Fund., 19, 251 (1980).

2. A. Abhat, Low Temperature Latent Heat Thermal Energy Storagy: Heat       Storage Materials, Solar Energy, 30(4), 213 (1983)

3. G.A Lane, Solar Energy Materials and Solar Cell, 27, 135 (1992)

4. H.G. Lorsch, K.W. Kauffman and J.C. Denton, Energy Convers., 15, 1(1975)