TiFe계 수소저장합금의 Fe 치환원소 영향에 따른 상온 활성화 특성
- 발행기관 강릉원주대학교 일반대학원
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 신소재공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000010946
- UCI I804:42001-000000010946
- 본문언어 한국어
초록/요약 도움말
수소 저장 합금은 상대적으로 낮은 압력에서 부피가 큰 수소 저장 용량을 가지는 이유로 다량의 수소를 안전하게 저장할 수 있다. 또한, 수소 저장 합금은 수소를 금속 수소화물 형태로 저장하고 이때 수소 흡수 및 탈착 거동은 수소화물 형성 원소 (A)와 비수소화물 형성 원소 (B)를 합금하여 제어할 수 있다. 다양한 수소저장 합금계 중에서 AB 형 금속간 화합물인 TiFe 합금은 수소 저장 용량이 높고 최적의 환경에서 수소를 저장할 수 있다. TiFe 합금은 생산에 필요한 저비용 및 풍부한 원료의 장점을 가지고 있기 때문에 정치형 수소 저장 시스템 적용에 상당히 효과적이다. 그러나 TiFe 합금은 첫번째 수소화를 위해 고온의 열활성화 공정을 필요로 하는 큰 단점이 있다. 수소 저장 합금이 저장 탱크에 충전되기 전에 공기 분위기에 노출되면 합금 표면에 산화물 층이 형성되며, TiFe 합금에서 표면의 천연 산화물층은 수소 흡수를 차단한다. 따라서 진공 또는 수소 분위기에서 고온 열처리 (400℃ ~ 450℃)를 통한 산화막 제거가 필요하다. TiFe 기반 수소저장합금의 상온 활성화 특성을 개선하기 위해 다양한 연구가 시도되었다. 볼 밀링 또는 심한 소성 변형과 같은 기계적 활성화 방법이 활성화 특성을 향상시킬 수 있다고 보고되었다. 그러나 이러한 방법은 수소 저장 용량을 크게 저하시킨다. 또한 Fe를 전이 금속으로 대체하는 것에 대한 많은 연구가 있었다. 기존의 연구에서는 수소 저장 용량의 감소없이 활성화 특성이 개선되었다고 보고되었다. 그러나 대부분의 이전 연구에서 첫 번째 수소화 거동 측정은 대기에 노출되지 않고 Ar 분위기에서 수행되었다. 실제 적용에서 수소 저장 합금은 공기 대기에 노출되고 산화물 층이 표면에 형성되므로 합금의 첫 번째 수소화 거동 측정은 대기 노출 후 평가되어야 한다. 이 연구에서는 Fe를 Ni, Co, Cu, Mn, Cr로 대체하여 공기 노출 후 TiFe 기반 수소 저장 합금의 첫 번째 수소화 거동에 어떤 영향을 미치는지 조사하였다. 합금 잉곳을 분말로 분쇄하고 1시간 동안 공기에 노출시켜 첫 번째 수소화 역학을 분석하였다. Fe가 최대 30%의 Ni, Co, Cu로 대체되었지만 합금은 단일 TiFe 상을 가졌다. 산화막의 조성은 Ni, Co, Cu의 첨가에 따라 변했지만 합금은 수소를 흡수하지 않았다. TiFe0.9Mn0.1 합금에서도 단일 TiFe 상을 가졌으며, 수소를 흡수하지 않았다. TiFe0.8Mn0.2 및 TiFe0.7Mn0.3 합금과 TiFe0.9Cr0.1 TiFe0.8Cr0.2 TiFe0.7Cr0.3 합금에서 TiFe 및 Laves 상이 있는 이중상 미세 구조가 형성되었으며 Mn과 Cr의 Fe에 대한 치환량이 증가할수록 합금에 더 많은 Laves 상이 형성되었다. 그 결과 TiFe 및 Laves 상이 있는 이중상 미세 구조가 형성된 합금은 모두 열 활성화 과정없이 공기에 노출된 후 수소를 흡수하였다. 첫 번째 수소화 역학을 비교하면 Mn과 Cr의 Fe에 대한 치환량이 증가할수록 합금에 더 많은 Laves 상이 형성되었으며, 수소 흡수율이 더 빠른 것을 확인할 수 있었다. 주제어 : 수소저장, 수소저장합금, 수소화거동, 금속수소화물, 금속치환
more초록/요약 도움말
Hydrogen storage alloys safely store large amounts of hydrogen because they have a large hydrogen storage capacity at relatively low pressure. These alloys store hydrogen in a metal hydride, and hydrogen absorption and desorption behavior can be controlled by alloying a hydride-forming element with a non-hydride-forming element. Among various hydrogen storage alloys, TiFe alloy as an AB-type intermetallic compound has a high hydrogen storage capacity. Additionally, it stores hydrogen in a desirable condition which is at room temperature and low pressure. In other words, composed of raw materials with large reserves and low process cost, TiFe alloy is very effective for stationary hydrogen storage system applications. However, the biggest downside with the TiFe alloy is the unavoidable high-temperature thermal activation process for the first hydrogenation kinetics. When the hydrogen storage alloy is exposed to air before being charged into the storage tank, an oxide layer is formed on the surface of the TiFe alloy, blocking the hydrogen absorption. Therefore, removing the oxide layer through a high-temperature heat treatment in a vacuum or a reducing gas atmosphere condition is necessary. Various studies have been attempted to improve the activation properties of TiFe-based hydrogen storage alloys at room temperature. It has been reported that mechanical activation methods such as ball milling or severe plastic deformation improve activation properties in the production process of hydrogen storage alloys. However, these methods dramatically reduce the hydrogen storage capacity. Meanwhile, there have been many studies on replacing Fe with transition metals in TiFe-based hydrogen storage alloys. It was reported that the activation properties were improved without a decrease in the hydrogen storage capacity in previous studies. Nevertheless, the first hydrogenation behavior measurement was performed in the Ar atmosphere without an exposure to air. In practical applications, the hydrogen storage alloy is exposed to the atmosphere and forms an oxide layer on the surface. Therefore, the first hydrogenation behavior measurement of TiFe-based hydrogen storage alloys should be evaluated after atmospheric exposure. In this study, we investigated how Fe replacement by Ni, Co, Cu, Mn, and Cr affects the first hydrogenation behavior of TiFe-based hydrogen storage alloys after air exposure. The first hydrogenation kinetics were analyzed by grinding the alloy ingots to powder and exposing them to air for one hour. Although Fe was replaced by up to 30% of Ni, Co, and Cu, the alloy had a single TiFe phase. In the TiFe-based hydrogen storage alloy, the composition of the oxide layer changed according to the addition of Ni, Co, and Cu. In this case, however, hydrogen was not absorbed on the hydrogen storage alloy. Significantly, the TiFe0.9Mn0.1 alloy also had a single TiFe phase and did not absorb hydrogen. It was confirmed that a dual-phase microstructure with TiFe and Laves phases was formed in TiFe0.8Mn0.2, TiFe0.7Mn0.3, TiFe0.9Cr0.1, TiFe0.8Cr0.2, and TiFe0.7Cr0.3 hydrogen storage alloys. As the substitution amount of Mn and Cr for Fe increased, more Laves phases were formed in the hydrogen storage alloy. Also, all of the fabricated hydrogen storage alloys that formed the dual-phase microstructure with TiFe and Laves phases absorbed hydrogen after exposure to the air without thermal activation process. Finally, comparing the first hydrogenation dynamics, as the substitution amount of Mn and Cr for Fe increased, more Laves phases were formed in the TiFe-based hydrogen storage alloy, and it was confirmed that the hydrogen absorption kinetic was faster. Keywords: Hydrogenstorage, Hydrogen storage alloys, hydrogenation kinetics of air-exposed, metal hydride, metal substitution
more목차 도움말
Ⅰ. 서론
1. 연구배경 및 목적 1
Ⅱ. 이론적 배경
2.1. 수소에너지 4
2.2. 수소저장합금 7
2.3. 정치형 수소저장합금 9
Ⅲ. 실험 방법
3.1. 상 형상 거동 예측 13
3.2. 합금제조 14
3.3. SEM 및 XRD를 통한 미세조직‧상 분석 16
3.4. 수소 Kinetic 분석 19
Ⅳ. 결과 및 고찰
4.1. 상 형상 거동 예측 21
4.2. SEM을 통한 미세조직 분석 28
4.3. XRD를 통한 상 분석 33
4.4. 수소 Kinetic 분석 37
Ⅴ. 결론 39
Ⅵ. 참고문헌 40
