수소 기술 및 열 분석
목차
친환경 에너지 – 수소 순환 – 수소 경제
친환경 에너지 및 모빌리티의 필수 핵심은 다음과 같은 이유로 수소를 연료로 사용하는 것입니다. 에너지 저장 그리고 에너지 전달 과정의 도구로 사용하는 것입니다. 이러한 이유로 수소의 생산, 저장, 수출부터 다시 생산 연료로 사용하기까지 수소의 활용을 보여주는 이른바 수소 사이클이 확립되었습니다.
이 주기의 각 단계에는 많은 경로가 있기 때문에 격차를 좁히고 필요하지만 아직 완전히 개발되지 않은 기술에 접근하기 위해 몇 가지 연구 개념이 만들어졌습니다.
프라운호퍼 프라운호퍼 연구 기관 은 독일의 수소 로드맵을 개발하여 발표했으며, 여기에는 모든 연구 분야와 주제가 제시되어 있습니다.
이 로드맵은 가까운 미래에 수소를 사용할 수 있는 가능성을 보여줍니다.
모든 분야가 수소를 안전하고 효율적으로 저장하는 방법의 영향을 받기 때문에 핵심 문제는 항상 저장과 생산입니다.
중앙 집중식 수소 생산과 분산형 수소 생산 중 어느 것이 더 유망한지, 수소를 직접 연료로 사용해야 하는지 아니면 암모니아나 유사한 물질의 형태로 사용해야 하는지도 답해야 할 또 다른 질문입니다.
1. 수소 사이클 – 재생 에너지원
수소 순환은 친환경 발전소에서 수소를 생산하는 것으로 시작됩니다.
재생 에너지 생산에 가장 중요한 에너지원으로는 수력 발전소, 풍력 터빈, 태양광 시스템, 지열 발전소, 바이오매스 발전소가 있으며, 이들은 CO2 배출과 핵 폐기물 없이 충분한 양의 에너지를 생산하는 것을 목표로 합니다.
열 분석 및 재료 과학은 모든 영역에 존재합니다:
- 풍력 터빈 블레이드에 사용되는 복합 재료에 대한 연구부터
- 태양광 전지의 반도체 재료 최적화에 대한 연구 결과
- 바이오매스 애플리케이션에서 직접 수소를 생산하는 최적화에 대한 연구입니다.
적용 사례: 경량 소재의 열팽창 거동
재생 에너지 분야에서 열 해석이 활용되는 좋은 예는 다음과 같은 열팽창 거동입니다. 팽창 거동 풍력 터빈 블레이드용 복합 재료와 같은 경량 재료의 열팽창 거동입니다:
복합 소재는 경량 구조 또는 다양한 용도의 특수 건축 자재로 사용됩니다. 예를 들어 풍력 터빈의 날개는 경량 알루미늄 합금 또는 경량 폴리머로 만들어집니다.
이 측정값은 풍력 터빈 블레이드와 같이 단단하지만 가벼운 구조물에 사용되는 두 가지 폴리머 복합재료의 작은 차이를 보여줍니다. 5K/min의 일정한 가열 속도 (아래쪽 곡선)에서 Linseis 푸시로드 팽창계로 측정한 절대 델타 L은 분석된 두 샘플 간에 큰 차이가 없음을 보여줍니다. 상대 팽창(빨간색 곡선)도 매우 유사합니다.
그러나 CTE를 보면 약간의 차이가 보입니다.
약 200°C의 변형 지점 이전에는 두 샘플 중 하나에서만 볼 수 있는 작은 효과가 있으며, 다른 재료에는 나타나지 않는 또 다른 작은 변형 또는 상 변화를 나타냅니다.
적용 사례: DEA – 유전체 분석/경화 모니터링
복합 소재를 비용 효율적이고 고품질로 생산하려면 특정 부품을 완성하는 데 필요한 정확한 시간과 온도 프로파일을 모두 파악하는 것이 가장 중요합니다.
이러한 매개변수를 잘못 선택하면 품질을 달성할 수 없거나 비용이 낭비됩니다.
대기 시간이 너무 길면 유전체 분석(DEA)을 사용하여 이 경화 과정을 모니터링할 수 있습니다.
대부분의 폴리머는 경화되지 않은 재료에 삽입하는 DEA 센서를 통해 경화를 관찰할 수 있습니다.
이 예에서는 수지를 180°C까지 등온 가열하고 DEA 센서를 부착했습니다.
빨간색 곡선은 시료와 센서의 등온 온도를 나타냅니다.
이온 점도와 이온 점도의 기울기가 모니터링됩니다.
CP2, CP3, CP4의 세 가지 중요한 점은 경화 시작(최소 점도), 최대 반응 속도(최대 기울기), 경화 끝을 나타냅니다.
이 정보는 경화되지 않은 재료는 심각한 품질 문제를 일으킬 수 있으므로 올바른 폴리머 경화를 위해 매우 중요합니다.
적용 사례: 바이오매스와 같은 원자재의 품질 및 거동
수소 생산에 있어 또 다른 중요한 점은 전기와 수소 생산에 사용되는 바이오매스와 같은 원료의 품질과 거동입니다.
문제는 가스화 과정에서 다양한 원료에서 얼마나 많은 수소를 얻을 수 있는지, 이를 위해 얼마나 많은 에너지가 필요하며 전체 결과가 어떻게 보이는지입니다. 이는 다음 애플리케이션 예시와 같이 압력 열 중량 측정 및 열 중량 측정과 열량 측정(STA)을 결합하여 모니터링할 수 있습니다.
고압 TGA 측정의 일반적인 응용 분야는 소위 석탄 가스화 또는 수소 가스화 조사입니다.
수증기 분위기에서 탄소를 가열하는 이 공정은 예를 들어 배기가스에서 일산화탄소를 제거하고 특히 숯이나 바이오매스와 같은 자원에서 귀중한 유기 화합물을 추출하는 촉매 공정에 사용됩니다.
주어진 예는 건조 바이오매스의 일반적인 가스화 테스트를 보여줍니다. 바이오매스 샘플을 50bar의 압력에서 질소 분위기 아래 등온 고원까지 가열했습니다(고압 TGA – 열 균형).
질량 신호는 20~40분 사이에 휘발성 가스가 손실된 것을 보여줍니다.
수증기를 추가한 후 바이오매스는 가스화되어 150분 후에 거의 완전히 소비되어 빨간색 질량 손실 곡선에 표시된 것처럼 H2, CO, CH3OH 및 기타 유용한 반응성 가스가 생성되었습니다.
전체 과정은 다음과 같이 설명할 수 있습니다: 탄소는 수증기와 반응하여 일산화탄소와 수소의 혼합물을 형성합니다.
생성된 일산화탄소는 두 번째 물 분자와 반응하여 이산화탄소와 추가 수소를 형성하고, 마지막으로 생성된 수소는 일산화탄소로부터 메탄 및 기타 탄화수소를 형성할 수 있습니다.
적용 사례: 복합 재료의 연소 거동 및 회분 함량 조사
마지막으로, 복합 재료는 제품 수명이 다한 후 재활용하거나 에너지 회수를 위해 활용해야 합니다. 이를 위해 다음 사항에 관심을 가질 수 있습니다. 연소 동작과 재의 함량입니다.
탄소성 물질, 유기 물질 및 고분자는 일반적으로 가열하면 연소됩니다. 따라서 이러한 물질의 열분해에 대한 연구는 다소 전문화되어 있습니다. 대부분의 경우 공기가 아닌 불활성 분위기에서 분해 효과와 열분해를 확인한 후 산소 또는 공기로 가스를 교환하여 포함된 탄소가 연소되는 과정을 거칩니다.
이 과정을복합 열 분석기(STA)에서 수행하면탄소 함량, 무기물 함량 및 방출되는열을 측정할 수 있습니다.
산업용 고무 샘플의 이 측정은 동시 열저울을 사용하여 수행되었습니다. STA PT 1600을 사용하여 질소 분위기에서 시작하였습니다.
샘플을 각각 30K/min으로 3단계에 걸쳐 가열했습니다. 파란색 곡선은 상대적인 무게 감소를 나타냅니다. 시료의 탈수는 첫 번째 무게 감소에서 발생합니다. 수분 함량은 9.3%였습니다. 해당 DTA 신호(보라색 곡선)는 수분이 증발하는 동안 아무런 영향을 미치지 않았습니다.
두 번째 반응 단계에서는 N2 분위기에서 열분해를 통해 휘발성 성분이 방출됩니다. 이러한 성분의 비율은 36.0%입니다. 이러한 성분의 방출은 DTA 곡선의 발열 반응 피크로 확인할 수 있습니다.
세 번째 반응 단계에서는 대기가 산소로 전환되어 남은 탄소가 연소됩니다. 무게 감소는 14.3%입니다. 나머지 40.4%는 재, 슬래그 또는 필러와 같은 무기 성분입니다.
2. 전기 에너지를 화학 에너지로 변환(전기 분해, 합성 연료)
물의 전기분해는 외부 전압을 가하여 물을 산소와 수소로 화학적으로 분리하는 것입니다.
이 수소 생산 과정에는 많은 에너지가 필요하기 때문에 촉매나 석탄 가스화와 같은 반응 사슬을 사용하여 수소를 생산하는 공정도 사용됩니다.
그러나 목표는 높은 처리량과 효율로 직접 전기분해를 달성하는 것입니다.
전기 분해의 효율을 높이려면 음극과 양극 재료는 물론 촉매와 표면 재료도 최적화해야 합니다.
전기에너지는 저장하기 어렵기 때문에 오늘날의 대형 발전소인 석탄 및 원자력 발전소는 기저 부하를 충당하기 위해 지속적으로 에너지를 생산하고, 가스 화력 발전소와 같은 변동성 발전소는 변동성을 보완하는 데 사용됩니다.
재생 에너지원의 발전량은 야간, 가뭄, 바람이 없을 때 등 변동이 있을 수 있으므로 간헐적으로 발전하는 재생 에너지원으로 지속적이고 변동이 심한 에너지 수요를 충당하기 위해서는 발전된 에너지를 저장해야 합니다.
또한 다음과 같은 일부 애플리케이션은 이동성 (자동차, 트럭, 장거리 항공기)와 같은 일부 애플리케이션에는 많은 양의 에너지가 필요합니다. 필요한 크기의 축전지는 비싸고 바로 사용할 수 없기 때문에 축전지에 전기 에너지를 저장하는 것은 실용적이지 않습니다. 이러한 애플리케이션의 경우 전기 에너지를 합성 연료나 수소 형태의 화학 에너지로 변환하는 것이 더 유리합니다. 합성 연료도 수소로 생산되기 때문에 가장 중요한 단계는 전기분해를 통해 물에서 수소를 생산하는 것입니다.
적용 사례: 촉매 – 백금 와이어의 열팽창
열 분석은 화학적 안정성, 열 전도성 및 흡착 능력 측면에서 사용되는 재료를 특성화할 뿐만 아니라 서비스 수명과 품질을 개선하기 위해 열팽창을 측정함으로써 도움이 될 수 있습니다.
백금은 촉매제로 사용되거나 순수 물질 또는 많은 합금에 사용됩니다.
합금이 가진 다양한 장점으로 인해 합금으로 사용하는 것이 더 일반적이기 때문에 물리적, 화학적 거동이 약간 달라집니다.
이 예는 백금과 로듐이 3% 함유된 백금의 열팽창 차이를 보여줍니다.
이 예에서는 백금과 백금 합금을 린세이즈 푸시 로드 팽창계에서 5K/min의 선형 가열 속도로 측정했습니다.
아래쪽 두 곡선은 절대 열 팽창을, 위쪽 곡선은 백금-로듐 합금과 비교한 백금 샘플의 상대 팽창을 보여줍니다.
화학 성분에 약간의 차이만 있어도 팽창 거동은 최대 1000°C 범위에서 수 μm의 편차를 보입니다.
반응기와 같은 복잡한 구조에서 사용할 경우, 다른 팽창 계수로 인한 전기분해 장치의 손상을 방지하기 위해 정확한 팽창 값을 고려해야 합니다.
적용 사례: 열 관리 – 흑연의 열 전도성
복잡한 구조에서 문제를 일으킬 수 있는 열팽창 외에도 열전도도 및 비저항과 같은 열물리학적 특성도 매우 중요합니다.
핵심은 올바른 열 관리입니다. 리액터 내부의 온도 차이가 크지 않으면 열팽창에 문제가 없습니다.
이러한 이유로 사용되는 모든 재료의 열 전달 특성을 아는 것도 좋습니다.
요약하자면 열물리학적 특성을 최적화하면 비용을 절감하고 품질을 개선하는 데 도움이 됩니다.
예를 들어, 나노 구조 촉매는 활성 표면적이 더 넓고 원료가 덜 필요합니다.
흑연은 짙은 회색의 고체 형태로 존재하는 탄소의 일종입니다.
내화학성이 매우 뛰어나며 음극재, 건축 자재, 센서 부품 등 다양한 용도로 사용됩니다.
가열하면 산소와 반응하여 일산화탄소 또는 이산화탄소를 형성하지만, 산소가 없는 불활성 환경에서 가열하면 매우 높은 온도에 도달할 수 있으므로 용광로 재료 또는 초고온 용광로의 히터로도 사용됩니다.
이 예에서는 LFA 1000(레이저 플래시 분석기)을 사용하여 흑연 샘플을 진공 상태에서 분석했습니다.
열 확산도는 RT와 1100°C 사이의 여러 온도 단계에서 직접 측정했습니다.
비열 용량은 동일한 측정에서 두 번째 샘플 위치에서 알려진 흑연 표준을 기준으로 측정했습니다.
열 확산도, 비열 및 밀도의 곱은 해당 열 전도도를 제공합니다.
결과는 일반적으로 선형적으로 감소하는 열전도율과 500°C 이상에서 정체를 보이는 열확산도를 보여줍니다.
Cp 값은 온도에 따라 약간 증가합니다.
적용 사례: 합성 연료 – STA 고압으로 인한 압력 의존적 반응
비행기와 같은 일부 응용 분야에서는 합성 연료인 수소보다 더 안정적인 형태로 전기 에너지를 결합하는 것이 유리할 수 있습니다.
합성 연료는 기존 인프라와 건축물을 그대로 사용할 수 있다는 큰 장점이 있습니다.
친환경 수소를 활용하고 이를 통해 합성 탄화수소를 생산하는 것이 핵심입니다.
생산 과정에서 대기 중 이산화탄소를 포집하지만 합성 연료를 사용(연소)할 때 이산화탄소는 다시 배출됩니다.
합성 연료 생산 공정(피셔-트롭쉬 공정)은 LINSEIS 고압 -STA와 같은 고압 TG 및 TG/DSC 시스템으로 최적화할 수 있습니다.
Linseis STA HP 시리즈는 제어된 고압 하에서 측정할 수 있습니다.
분해, 흡착, 탈착과 같은 일부 반응의 경우 시료와 물질의 거동은 많은 반응에서 압력 의존성이 있기 때문에 대기 조건에 따라 크게 달라집니다.
이 곡선은 압력(20bar, 빨간색 곡선)과 대기 조건(파란색 곡선) 하에서 옥살산칼슘 수화물의 분해를 비교 측정한 결과입니다.
분해 단계 1(수분 손실)과 3(이산화탄소 손실)의 명확한 압력 의존성을 확인할 수 있습니다.
분해 단계 1과 3은 높은 압력에서 더 높은 온도로 이동합니다.
두 번째 단계는 일산화탄소가 방출되면서 유기 옥살산염이 무기 탄산염으로 비가역적으로 전환되는 것입니다.
이 과정은 가역적이지 않으므로 압력에 의존하지 않습니다.
3. 수소 저장
수소는 휘발성이 매우 높은 가스이기 때문에 저장과 운송이 큰 과제입니다.
수소 가스를 압축하여 실린더에 저장할 수 있지만, 높은 압력이 필요하고(최대 압력이 700bar인 실린더도 있음) 관련 기술 및 안전 문제(수소는 시간이 지나면서 모든 물질로 확산됨)로 인해 다른 기술이 선호되고 있습니다.
예를 들어 수소는 화학적으로 어느 정도 고정된 다양한 물질(금속-유기 골격체(MOF), 제올라이트, 이온성 액체 등)에 흡착하여 저장할 수 있지만 금속 수소화물로 저장하는 것이 가장 유망합니다.
이 경우 수소는 안정한 수 소화물을 형성하여 금속 표면에 화학적으로 결합됩니다.
이 공정은 제올라이트와 나노 기공이 있는 합성 스캐폴드와 같은 다공성 물질을 사용하여 표면적을 늘림으로써 최적화할 수 있습니다.
그런 다음 많은 재료에서 제어된 온도 변화 또는 쉽게 가해지는 압력 변화를 통해 수소를 방출할 수 있습니다.
통제되지 않은 확산의 위험은 더 이상 존재하지 않습니다.
적용 예시: 고압 STA 흡착
열 분석, 특히 열 분석중량 분석은 정확한 흡착 조건, 방출 및 저장 속도를 결정하여 로딩 및 방출 주기를 최적화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
부피 측정 방법을 사용하여 수행되는 흡착 측정은 일반적으로 열 흐름과 엔탈피에 대한 정보를 제공하지 않습니다.
흡착 열에 관심이 있는 경우 두 번째 실험이 필요합니다.
중력 흡착 분석기 (고압 TG-DSC)는 무게 변화(TGA 열 중량 측정)와 차동 주사 열량 측정(DSC) 신호를 모두 측정하며, 훨씬 더 빠른 대안을 제공합니다.
흡착 용량과 흡착 열 모두 테스트 내에서 측정할 수 있습니다.
그림은 압력 15bar, 온도 80°C에서 Pt/Al 촉매에 수소를 흡착한 DSC 측정 구간을 보여줍니다.
발생된 열은 30.5 J/g입니다.
흡착 열은 흡착 실험 중에 직접 측정했으며 명확한 피크를 보여줍니다.
위의 곡선에서는 수소 주입부터 흡착 반응까지의 시간을 모니터링하여 시료가 대기와 얼마나 빨리 상호작용하는지 보여줍니다.
4. 수소를 연료로 사용하는 장치 및 프로세스
수소가 생산 및 저장되어 (이동) 사용이 가능해지면 높은 에너지 밀도를 통해 다양한 응용 분야가 가능해집니다.
가장 일반적인 용도는 환원제, 연료, 운반 가스 및 탄수화물, 암모니아 등과 같은 분자를 합성하는 데 사용됩니다. 자주 사용되는 응용 분야 중 하나는 금속 소결입니다.
금속 또는 금속 산화물이 함유된 공작물은 분말을 압축하여 소위 녹색 몸체라고 부르는 방식으로 생산되는 경우가 많습니다. 이러한 녹색 몸체는 나중에 녹는점 이하의 온도로 가열하여 고형화되는데, 이를 소결이라고 합니다.
소결하는 동안 치수가 줄어듭니다.
따라서 치수를 측정하여 소결 과정을 분석할 수 있습니다. 이는 일반적으로 팽창계에서 수행됩니다 (애플리케이션 예시 참조).
산화를 방지하고 최종 제품의 산화물 함량을 줄이기 위해 소결은 수소 함유 분위기 또는 순수한 수소 분위기에서 이루어질 수 있습니다.
린세이는 수소 안전 기술에 대한 전문성을 바탕으로 순수 수소 대기에서 사용할 수 있는 팽창도계를 공급할 수 있습니다.
팽창계는 환원 분위기에서 수소 소결 또는 팽창 측정에 사용할 수 있습니다.
가스 배출은 안전 연소 장치와 결합되어 있으며, 제어되지 않은 수소 방출이 발생할 경우 시스템을 끄고 불활성 가스로 퍼지할 수 있는 수소 감지기에 연결됩니다.
적용 예시: 금속 분말의 H2 소결
이 예는 촉매로 사용되는 금속 분말 녹색 몸체의 수소 소결 과정을 보여줍니다.
측정값은 소결 프로파일에 따라 절대 수소 분위기에서 가열된 압축 소결 금속 분말의 소결 곡선(아래쪽 곡선)을 보여줍니다.
수소는 소결 과정에서 시료에 포함된 산소를 감소시켜 밀도를 높이고 금속 산화물 함량을 낮춥니다.
따라서 가스 분위기와 소결 프로파일 모두 결과에 큰 영향을 미칩니다.
파란색 곡선은 상대적인 팽창과 수축을, 빨간색 곡선은 절대값을 나타냅니다.
주요 소결 단계는 500°C에서 1400°C 사이의 두 번째 가열 단계에서 관찰할 수 있습니다.
5. 연료 전지 기술
그러나 가장 흥미롭고 가장 자주 언급되는 수소의 응용 분야는 연료 전지이며, 건물에 전기와 열을 공급하는 것부터 주행 거리를 늘린 자동차에 동력을 공급하는 것까지 다양한 상황에서 사용할 수 있습니다.
연료전지는 저장된 수소의 에너지를 다시 전기로 변환하는 데 핵심적인 역할을 합니다.
연료 전지에서 수소는 공기와 반응하여 물을 형성합니다.
이 반응은 열을 방출하는 연소에 의해 직접 활용되지 않고 연료 전지에서 전기 에너지를 생성하는 데 사용됩니다. 이 다이어그램은 수소 연료 전지의 개략적인 모습을 보여줍니다.
수소와 산소의 반응을 통해 “필요에 따라” 전기 에너지를 생성하는 것이 연료전지의 임무입니다.
열의 형태로 에너지를 대량 방출하여 물이 형성되는 고전적인 직접 반응(점화되는 수소-산소 가스 혼합물을 상상해보세요)과 달리, 연료 전지에는 두 화합물이 위치한 두 개의 챔버가 있습니다.
이 챔버의 중앙에는 수소는 확산할 수 있지만 다른 분자는 확산할 수 없는 막이 있습니다.
산소실 측면의 막 표면에서 수소와 산소의 반응이 일어나 세포 밖으로 나오는 물을 생성합니다.
이로 인해 멤브레인의 수소 농도가 감소하고 더 많은 수소 분자가 멤브레인으로 이동하게 됩니다.
수소가 산소 함유 챔버로 확산되면 멤브레인에서 전기 전압이 발생합니다.
이 전압은 열 대신 방출되는 에너지로 모터를 작동하는 데 사용할 수 있습니다.
수소 챔버의 수소 농도를 조절할 수 있기 때문에 가솔린 엔진처럼 멤브레인에서의 확산 속도를 쉽게 제어할 수 있습니다.
따라서 수소는 ‘연료’로 간주할 수 있습니다.
멤브레인은 귀금속으로 구성된 전극 재료로 덮여 있습니다.
이러한 금속은 촉매 역할을 하며 연료 전지의 작동 조건(온도, 전압 등)에 영향을 미칩니다.
수소 연료 전지는 최대 1000°C의 고온에서 작동할 수 있고 이를 조립하는 데 사용되는 땜납은 열적, 화학적, 기계적으로 안정적이어야 하므로 열 분석이 다시 한 번 중요한 역할을 합니다.
연료 전지의 작동 조건은 촉매 역할을 할 수 있는 사용되는 재료에 따라 달라집니다.
예를 들어, 촉매를 특성화하는 데 사용되는 모든 기술은 수소/연료 전지 기술에 적용됩니다.
따라서 재료 과학에 대한 많은 지식이 필요하며 많은 분석 기법이 재료 분석에 도움이 됩니다.
여기서는 열 분석 기법에 초점을 맞추겠습니다.
일부 수소 저장 애플리케이션은 100bar를 초과하는 고압에서 작동하므로 가압 분석기가 유용합니다.
또한 수소는 산소/공기에 대한 반응성이 높기 때문에 모든 분석 기술에는 예방 조치가 필요합니다.
따라서 모든 분석기에는 폭발 위험을 방지하기 위한 안전 기능이 장착되어 있어야 합니다.
적용 예시: 표면 저장소에서 수소 방출
다음 응용 사례는 연료 전지 분야에서 열 분석 및 재료 과학 장치가 사용되는 경우를 보여줍니다.
수소 저장은 표면 흡착, 기공 흡착 또는 화학적 흡수의 형태를 취할 수 있습니다.
대부분의 금속의 경우 표면 흡착은 달성하기 쉽고 수소 방출을 매우 잘 제어할 수 있기 때문에 가장 유망한 경로입니다.
따라서 비표면적이 높은 많은 금속이 연구되고 있습니다.
티타늄 하이드라이드는 다양한 반응에서 수소의 방출을 제어하기 위해 자주 사용되는 수소 공급원입니다.
한편으로는 액체 화학에서 현장에서 수소 공급원으로 촉매로 사용할 수 있으며, 다른 한편으로는 배터리나 연료 전지 등에서 수소 방출을 제어하기 위해 사용할 수 있습니다.
어떤 온도에서 어떤 양의 수소가 방출되는지 파악하려면 온도에 따른 분해 거동과 방출되는 열량을 아는 것이 중요하며, 이는 동시 열 분석(STA)으로 모니터링할 수 있습니다.
이 STA 측정에서는 티타늄 하이드라이드에 의한 수소 방출을 모니터링했습니다.
실온에서 800°C까지 시료가 아르곤 분위기에서 10K/min으로 선형 가열되는 동안 TG 및 DSC 신호를 측정했습니다.
300°C와 600°C 사이에서 총 2.3%의 2단계 질량 손실이 발생했는데, 이는 이 과정에서 결합된 수소의 전체 양이 방출되었음을 의미합니다.
DSC 곡선은 해당 탈착 피크(빨간색 곡선)를 보여줍니다.
수소 측정의 안전성
수소는 산소뿐만 아니라 산화제 및 금속 표면과도 친화력이 높습니다.
원소(2-H2 + O 2 = 2-H2O, ΔH = 286kJ/mol)로부터 물이 형성되는 것은 발열 반응이므로 수소는 강력한 에너지 저장소로 간주됩니다.
수소 함량이 약 4%를 초과하는 수소-공기 혼합물은 폭발 가능성이 있습니다.
활성화 에너지(촉매 없이)는 높지만 불꽃, 스파크 또는 고온이 있는 경우 이러한 혼합물은 연소하거나 폭발할 수 있습니다.
따라서 공기 중 수소 농도가 4% 이상인 모든 열 분석에는 몇 가지 안전 예방 조치가 필요합니다.
모든 린나이스의 수소 어플리케이션용 열 분석기에는 다음과 같은 안전 기능이 장착되어 있습니다:
- 수소 감지기: 가스 배관의 누출을 감지합니다.
이 감지기는 기기 근처에 위치하며 누출 또는 우발적인 수소 방출을 감지합니다. - 불활성 가스로 퍼징: 누출이 감지되어 수소 공급이 중단되면 분석기 내 잔류 수소가 불활성 가스로 제거됩니다.
- 안전 밸브: 수소 누출이 감지되는 즉시 안전 밸브가 작동하여 열화상 분석기로의 수소 공급을 중단합니다.
- 가스 배출을 위한 폐기물 장치: 모든 린세이 수소 시스템에는 가스 배출 연결부에 플레어 장치가 장착되어 있습니다.
배출 가스(샘플 가스, 퍼지 가스 및 분해 생성물)는 지속적으로 연소하는 불꽃을 통과하여 인화성 가스가 환경으로 방출되지 않고 실험실에서 임계 농도에 도달할 수 있도록 합니다.
화염 장치는 전기로 가열되며 화염이 가스 라인으로 역화되는 것을 방지하는 안전 메커니즘이 있습니다.
