Analysis of Internal Hydrogen Circulation Based Hydrogen Storage Alloy System for Enhancing Hydrogen Storage Rate and Heat Transfer = 수소 저장 속도 빛 열교환 증대를 위한 내부 수소 순환 기반 수소저장합금 시스템 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Metal hydride-based hydrogen storage is a promising technology due to its high volumetric density and safety features. However, the poor thermal conductivity of the porous alloy bed and the highly exothermic nature of the hydrogenation reaction pose significant challenges to thermal management, often limiting the practical refueling rate. To address this issue, this study proposes a metal hydride reactor equipped with an internal forced gas circulation system, which enhances heat transfer by actively circulating hydrogen gas through the reactor bed.
To evaluate the feasibility and performance of the proposed system, a combined approach of experimental validation and three-dimensional (3D) numerical simulation was employed. First, a lab-scale experimental setup using a TiMn2-based alloy was constructed. The experiments confirmed that forced circulation significantly suppresses the temperature rise compared to natural convection. Notably, tests with varying gas booster cycles (3 s vs. 5 s) demonstrated that a shorter cycle, corresponding to a higher circulation flow rate, resulted in superior thermal management and faster charging kinetics.
Subsequently, a 3D Computational Fluid Dynamics (CFD) model was proposed. A parametric study was then conducted to confirm the effects of coolant temperature (300 K vs. 280 K) and circulation mass flow rate (0.8 g/s vs. 0.4 g/s). The simulation results revealed that lowering the coolant temperature to 280 K improved the post-peak cooling rate, reducing the saturation time by 18.8% (940 s) compared to the reference case (1157 s). Conversely, reducing the flow rate to 0.4 g/s led to raise the equilibrium pressure and severely throttle the reaction, extending the refueling time to 3350 s.
In conclusion, this study demonstrates that while lowering the coolant temperature offers supplementary benefits, ensuring a circulation flow rate above a critical threshold is the dominant design requirement to prevent ensure efficient operation of internal circulation metal hydride reactors.

국문 초록 (Abstract)

금속수소화물 기반의 수소 저장 기술은 높은 체적 밀도와 안전성으로 인해 주목받고 있으나, 합금 파우더의 낮은 열전도율과 수소화 반응 시 발생하는 급격한 발열로 인해 열 관리에 어려움이 있으며, 이는 충전 속도를 제한하는 주된 요인이 된다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 내부 강제 순환 시스템을 갖춘 금속수소화물 반응기를 제안하고, 반응기 내부의 열 전달 성능 향상 및 수소 충전 효율을 분석하였다.
제안된 시스템의 성능 평가를 위해 실험적 검증과 3차원 수치해석(CFD)을 병행하였다. 먼저 TiMn2 계열 합금을 사용한 실험 장치를 구축하여 자연 대류와 강제 순환 방식의 성능을 비교하였으며, 가스 부스터의 작동 주기(3초 및 5초)에 따른 실험을 통해 순환 유량이 많을수록(짧은 주기) 열 제어 성능과 충전 속도가 우수함을 입증하였다.
실험 데이터로 검증된 수치해석 모델을 이용하여 냉각 온도(300 K, 280 K)와 순환 유량(0.8 g/s, 0.4 g/s)에 대한 매개변수 연구를 수행하였다. 해석 결과, 냉각 온도를 280 K로 낮출 경우 반응 후반부의 냉각 효율이 개선되어 완충 시간이 기준 대비 18.8% 단축(940초)되었다. 반면, 순환 유량을 0.4 g/s로 감소시킬 경우 반응열이 축적되어 평형 압력이 상승하는 현상이 발생하였으며, 이로 인해 완충 시간이 3350초로 약 3배 지연됨을 확인하였다.
결론적으로, 본 연구는 내부 순환형 반응기 설계 시 냉각 온도를 낮추는 것이 보조적인 효율 개선 효과를 주지만, 임계치 이상의 순환 유량을 확보하는 것이 열적 질식을 방지하고 시스템 성능을 보장하는 가장 핵심적인 설계 인자임을 규명하였다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Tables v
• List of Figures vi
• Nomenclature ix
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Study Background 1
• 1.2. Hydrogen Circulation System 7
• 1.3. Analysis Method 10
• Chapter 2. Experimental Study of Internal Circulation 12
• 2.1. Material Characterization 12
• 2.1.1. Selection of Hydrogen Storage Alloy 12
• 2.1.2. Thermodynamic Properties (PCT Characteristics) 15
• 2.2. Experimental Apparatus and System Configuration 18
• 2.2.1. Reactor Design and Specifications 18
• 2.2.2. Hydrogen Circulation Loop and Instrumentation 26
• 2.2.3. Hydrogen Circulation Mechanism (Gas Booster) 28
• 2.2.4. Flow Measurement and Pressure Stabilization 30
• 2.2.5. Data Acquisition System (DAQ) 33
• 2.3. Experimental Method and Condition 34
• 2.3.1. Experimental Procedure 34
• 2.3.2. Data Reduction 38
• 2.3.3. Test Conditions 42
• 2.4. Results and Discussion 46
• 2.4.1. Comparison of Static and Circulation Modes 46
• 2.4.2. Effect of Circulation Pump Cycle 50
• Chapter 3. Numerical Analysis of Internal Circulation 54
• 3.1. Mathematical Model 54
• 3.1.1. Assumptions 54
• 3.1.2. Governing Equations 55
• 3.2. Geometric Model and Simulation Setup 58
• 3.2.1. Geometric Configuration and Mesh Generation 58
• 3.2.2. Numerical Methods and Boundary Conditions 62
• 3.2.3. Simulation Case Studies 65
• 3.3. Results and Discussion 67
• 3.3.1. Transient Thermal Behavior of Reference Case 67
• 3.3.2. Effect of Circulation Temperature (Case 1 vs. Case 2) 72
• 3.3.3. Effect of Circulation Flow Rate (Case 1 vs. Case 3) 76
• Chapter 4. Conclusion 80
• Bibliography 83
• 국문 초록 88