열저장 PCM 마이크로 캡슐 합성 및 열신뢰성 평가

국문 초록 (Abstract)

상변화물질의 잠열을 이용한 열저장은 높은 저장 밀도로 주목받고 있으나, 현열 저장에 비해 저장 비용이 비싸 그 사용이 제한되고 있다.⁽¹⁾ 집광형 태양열발전에서 열저장 물질로 사용되는 용융염은 우수한 열적 특성을 갖고 있으나 고온에서 부식의 문제를 갖고 있다. 또한 일몰 이후, 온도 하락에 따른 용융염의 결정화 문제는 다양한 용융염의 사용을 제한한다. 본 연구에서는 고온 열저장을 위한 용융염 마이크로 캡슐을 합성하였다. 질산나트륨을 잠열 저장을 위한 코어 물질로 사용하였고, 실리카와 티타니아를 용융염을 캡슐화하기 위한 쉘(shell)로 사용하였다. 합성된 질산나트륨 마이크로 캡슐의 열물성(녹는점, 잠열)을 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 240~360 ℃ 범위에서 측정하였다. DSC 열 사이클을 4 회 반복하고 측정된 열흐름 곡선을 비교하여 용융염 마이크로 캡슐의 열신뢰성을 조사하였다. 측정된 잠열을 비교하여 캡슐화율을 계산하였고, 실리카 쉘과 티타니아 쉘에 대해 각각 90%와 87%의 높은 캡슐화율을 얻었다. 실리카와 티타니아 모두 반복되는 열 사이클에 대해 우수한 열신뢰성을 보여주었다. 실리카쉘을 사용한 경우, 녹는점이 순수 질산나트륨에 비해 감소하는 경향을 확인하였지만, 무시할 수 있는 수준이었다. 주사전자현미경을 이용하여 DSC 분석 후의 용융염 마이크로 캡슐을 형상을 확인할 결과, 티타니아를 쉘로 사용한 경우 파손된 용융염 캡슐을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 실리카가티타니아 보다 고온 열저장을 위한 용융염 마이크로 캡슐의 쉘로 적절함을 알 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Phase change materials (PCM) have paid great attention for thermal energy storage (TES) owing to their high TES density, but the high storage cost limits their applications.⁽¹⁾ Molten salts widely used as TES medium in concentrating solar power plants have excellent thermal properties but also have high corrosive characteristics at elevated temperatures. In addition, the crystallization issue induced by temperature decrease after sunset hinders to use various molten salts or their mixtures. In this study, a molten salt was microencapsulated via the water-limited surfactant free sol-gel method.⁽²⁾ Sodium nitrate (NaNO<SUB>3</SUB>) molten salt was employed as a core for latent heat storage. Silica (SiO<SUB>2</SUB>) and titania (TiO<SUB>2</SUB>) were synthesized to encapsulate the NaNO<SUB>3</SUB> without using any surfactants. Thermal properties (latent heat for melting and melting temperature) of the synthesized NaNO<SUB>3</SUB> microcapsules were measured using differential scanning calorimetry (DSC) between 240 and 360 ℃. The DSC thermal cycles were repeated 4 times to examine the thermal reliability of the microcapsules by comparing the heat flow curves. The encapsulation ratio calculated by the ratio of the latent heat between the microcapsule and pure NaNO<SUB>3</SUB> was obtained to be 90 and 87 % for SiO<SUB>2</SUB> and TiO<SUB>2</SUB> shells, respectively. Regarding the thermal reliability of the microcapsules, the heat flow curves of both NaNO<SUB>3</SUB>@TiO<SUB>2</SUB> and NaNO<SUB>3</SUB>@SiO<SUB>2</SUB> capsules were almost identical to that of the pure NaNO<SUB>3</SUB>, even though the threshold temperature of melting of the NaNO<SUB>3</SUB>@SiO<SUB>2</SUB> sample was slightly lower than the pure salt. This small change in the melting temperature of the NaNO<SUB>3</SUB>@SiO<SUB>2</SUB> is attributed to the pre-melting effect.⁽³⁾ In scanning electron microscopy (SEM) analysis, however, it was found that some of the NaNO<SUB>3</SUB>@TiO<SUB>2</SUB> microcapsules are broken and the molten salt core salt are leaked out. According to our experimental investigation, the SiO<SUB>2</SUB> shell is more appropriate to encapsulate the molten salt for high temperature thermal energy storage.