In this paper, a new concept of a hydrogen-oxygen generator for the operation of a fuel cell AIP system was proposed along with the pyrolysis characteristics tests of ammmonia borane (AB) which form the conceptual basis of the generator. AB used as a hydrogen source in this study is a high in hydrogen capacity and highly stable at room temperature. The generator employed the waste heat as a heat source generated from the exothermic reaction of oxidants, hence eliminating the need to install an additional heating apparatus and preventing energy loss. High concentration hydrogen peroxide was suggested as the oxidant. $H_2O_2$, as a green propellant, has a high caloric value and adiabatic decomposition temperature. The AB and $H_2O_2$ system is distinguishable with other representative fuel and oxidant systems in terms of high energy density, neutral buoyancy and high storability. In designing the new concept of a hydrogen-oxygen generator, pre-research on the decomposition characteristics of AB and high concentration hydrogen peroxide is essential. Much research has been done on high concentration hydrogen peroxide used as monopropellants or oxidizers in rockets. The decomposition characteristics and the catalyst making processes needed for decomposition of hydrogen peroxide have been both extensively investigated and established. Since most existing researches focus on each of the 3 discrete steps of thermal decomposition of AB separately, research on the 3 steps decomposition of AB as a whole in high temperature environments had to be done in order to apply the AB decomposition reaction to the AIP system. According to past research done by other groups, the thermal decomposition of AB in each step is dominantly affected by the reaction temperature and heating rate.
In this study, measurements of hydrogen production rate according to maximum temperature of the reactor and heating conditions were made and the influence of these conditions on the thermal decomposition characteristics of each step was confirmed. To check the thermal decomposition characteristics according to maximum reaction temperature in the chamber, a heating rate of $25 \degC/min$ was chosen and the maximum chamber temperatures were varied through $500 \degC$, $550 \degC$, and $600 \degC$. It turned out that most of the hydrogen was generated around $100 \degC ~ 150 \degC$, regardless of the maximum temperature of the reaction chamber. In terms of the influence of heating rate on decomposition characteristics, the temperature of the reactor was set to $550 \degC$ and the heating rates were varied through $10 \degC/min$, $15 \degC/min$, and $25 \degC/min$, consecutively. In all cases, drastic hydrogen generation was observed near $100 \degC$. However, the highest hydrogen generation rate occurred at $25 \degC/min$, and a lower heating rate made hydrogen to be produced in a wider temperature range. To check what influence the support type had on hydrogen generation rates, alumina was selected as the test support. AB was loaded on the alumina pellets by impregnation. But in terms of hydrogen generation, the loaded pellets were superior to powder in terms of performance.
본 연구에서는 새로운 형태의 연료전지 AIP 시스템 구동용 수소-산소 발생기의 개념 설계를 수행하고, 이를 위한 암모니아보레인의 연속적인 열분해 특성 실험을 수행하였다. 제안된 시스템의 효율 향상을 위해 암모니아보레인의 열분해를 위한 별도의 가열 장치를 제거할 목적으로 산화제의 분해 시 발생되는 폐열을 이용하였다. 또한 제안된 시스템의 기초 설계 자료로서 암모니아보레인의 1 ~ 3차의 연속적인 열분해 특성을 파악하기 위해, 반응기 최고 온도 변화와 가열 조건에 따른 수소 발생률을 측정하여 그 영향성을 확인하였다. 실험은 반응 온도에 따른 열분해 특성 평가에 있어서 가열 조건은 $25 \degC/min$으로 고정하고, 반응기 최대 온도를 $500 \degC$, $550 \degC$, $600 \degC$로 설정하였다. 실험 결과, 높은 가열 속도로 인하여 액상 암모니아보레인의 형성으로 2차 열분해가 보다 낮은 온도에서 발생함에 따라서, 암모니아보레인의 반응기의 최고 온도와 무관하게 $100 ~ 150 \degC$ 사이의 온도 범위에서 대부분의 열분해가 발생하였다. 3차 열분해의 진행은 수소 발생률에서는 뚜렷이 나타나지 않았으며, 이를 확인하기 위해 생성된 총 수소량 계산과 라만 분광법을 이용하였다. 그 결과 $550 \degC$ 이상의 온도에서 암모니아보레인의 완전 분해가 확인되었다. 가열속도에 따른 분해 특성확인을 위해 반응기 최고 온도를 $550 \degC$로 설정하고, 상온에서 $10 \degC/min$, $15 \degC/min$, $25 \degC/min$의 가열속도로 가열하였다. 세 경우 모두 $100 \degC$ 부근에서 수소 발생률의 급격한 증가를 보였지만, 가열속도가 높을수록 액상 암모니아보레인의 생성량이 많아지게 되어, 결과적으로 높은 수소 발생률을 나타내었다. 지지체 유무에 따른 수소 발생 특성을 확인하기 위해서 감마 알루미나 펠렛을 지지체로 선정하고, 최적의 담지조건을 설정하기 위한 실험을 수행하였다. 지지체와 물의 부피비가 2:1, $0.5 \degC/min$의 가열 조건으로 $50 \degC$ 에서 24 시간, 상온에서 48 시간의 건조를 한 샘플의 성능이 가장 우수하였다. 가루형태의 암모니아보레인을 지지체에 담지한 경우, 보다 낮은 온도에서 대부분의 분해가 완료되며, 또한 지지체간 열전달 속도로 인해 안정적인 수소발생률을 얻을 수 있었다.
