알칼라인 수전해용 지르코니아 기반 분리막의 나노 스케일 형상 모델링 및 통계학적 분석

Abstract

알칼라인 수전해의 시스템 구동에 있어 물질 전달에 중추적인 역할을 하는 분리막은 나노 스케일의 다공성 매체이다. 본 연구에서는 분리막 내부 미세 구조의 형상학적 특성과 유동 현상의 분석을 기반으로 한 알칼라인 수전해 시스템 성능을 추정하고 개선하기 위한 방법을 찾기 위하여 확률론적 준-무작위 방법을 활용하여 분리막의 나노 스케일 3차원 형상이 전산적으로 모델링 및 시뮬레이션 되었다. 알칼라인 수전해 시스템에 사용되는 복합 분리막은 고분자와 지르코니아 나노 입자로 구성되며 높은 이온 전도성을 가지고자 설계되었다. 지르코니아 나노 입자는 친수성 입자이며 알칼라인 전해질에서 수산화 이온의 전도성을 높인다고 보고되었다. 따라서 본 연구에서는 지르코니아의 질량 분율을 조절하며, 분리막의 형상학적 특성과 물질 전달 특성에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 우선적으로, 비균질하고 비등방적인 미세 구조에 비해 스케일이 큰 분리막의 미세 구조의 물리적 특성을 충분히 반영할 수 있는 대표 요소 부피가 선정되었다. 이후, 지지체를 고려하지 않은 분리막에 대해 지르코니아 나노 입자의 질량 분율에 따른 다공성 매체의 물성치를 도출하였고, 미세 구조를 가지는 분리막의 형상학적인 특성을 분석하기 위해 공극의 평균 크기에 대해 수치적으로 분석하였다. 최종적으로, 격자화 된 분리막을 통해 발생하는 물질 전달 특성 추정하기 위해 분리막에 대하여 BGK 충돌항을 이용한 3차원 19개의 속도 방향을 가지는 D3Q19 격자 볼츠만 법을 활용하였다. Darcy의 법칙에 따라 투과성과 굴곡률은 예측된 속도 영역에서 수치적으로 도출할 수 있으며, 그 결과 분리막 내부 물질 전달 특성들에 대한 관계를 확인하고 알칼라인 수전해용 분리막 성능 최적화에 추가적인 지침을 제공할 수 있다.