상변화 물질

섬네일|"찜질팩" 작동 영상을 보여주는 비디오
섬네일|열화상 카메라로 "찜질팩"을 보여주는 비디오

상변화 물질(phase-change material, PCM)은 상전이 시 유용한 열 또는 냉각을 제공하기에 충분한 에너지를 방출/흡수하는 물질이다. 일반적으로 상전이는 물질의 상태 중 처음 두 가지 근본적인 상태인 고체와 액체 중 하나에서 다른 하나로 일어난다. 상전이는 또한 물질이 한 결정 구조에서 다른 결정 구조로 변화하는 것과 같이 결정의 순응도와 같은 비고전적인 물질 상태 사이에서 일어날 수도 있으며, 이는 더 높거나 낮은 에너지 상태일 수 있다.

물질을 고체 상태에서 액체 상태로 변화시키는 데 필요한 에너지를 융해열이라고 한다. 융해열은 온도 상승에 기여하지 않는다. 따라서 물질이 상변화를 겪는 동안 추가되는 어떤 열에너지도 온도 상승을 일으키지 않는다. 융해열은 일반적으로 비열용량보다 훨씬 크다. 이는 물질이 등온과정을 유지하는 동안 많은 양의 열에너지가 흡수될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 얼음은 녹는 데 333.55 J/g이 필요하지만, 물은 단지 4.18 J/g이 추가되면 1도 더 상승한다. 따라서 물/얼음은 매우 효과적인 상변화 물질이며, 적어도 아케메네스 제국 시대부터 겨울의 추위를 저장하여 여름에 건물을 냉방하는 데 사용되었다.

PCM은 상변화 온도(PCT)에서 녹고 굳음으로써 현열 저장과 비교하여 많은 양의 에너지를 저장하고 방출할 수 있다. 물질이 고체에서 액체로, 또는 그 반대로 변하거나 물질의 내부 구조가 변할 때 열이 흡수되거나 방출된다. 따라서 PCM은 잠열 저장(LHS) 물질이라고도 불린다.

상변화 물질에는 크게 두 가지 종류가 있다. 하나는 석유, 식물 또는 동물에서 유래한 유기(탄소 함유) 물질이고, 다른 하나는 일반적으로 바다 또는 광물 퇴적물에서 얻은 천연 염을 사용하거나 다른 공정의 부산물인 염 수화물이다. 세 번째 종류는 고체-고체 상변화이다.

PCM은 찜질팩, 전화 교환 상자 냉각, 의류 등 에너지 저장 및 안정적인 온도가 필요한 다양한 상업적 응용 분야에 사용된다.

단연코 가장 큰 잠재 시장은 건물 난방 및 냉방이다. 이 분야에서 PCM은 재생 가능 전력 비용의 점진적인 감소와 이러한 전력의 간헐적인 특성과 결합되어 잠재력을 가지고 있다. 이는 최대 수요와 공급 가용성 간의 불일치를 초래할 수 있다. 북미, 중국, 일본, 호주, 남유럽 및 더운 여름이 있는 기타 선진국에서는 정오에 최대 공급이 이루어지는 반면, 최대 수요는 약 17:00부터 20:00까지이다. 이는 열 저장 매체에 대한 기회를 창출한다.

PCM을 사용하는 두 가지 일반적인 방법이 있다. 하나는 수동적으로 PCM이 온도 차이로 인해 열을 흡수하고 방출하도록 배치되어 온도가 조절되는 경우이다. 이러한 응용 분야에서 PCM은 캡슐화되어 조절될 대상이나 공간의 구조에 통합될 수 있다. 일부 응용 분야, 특히 직물에 통합이 필요한 경우, 상변화 물질은 미세 캡슐화된다. 미세 캡슐화는 PCM 코어가 녹더라도 물질이 작은 기포 형태로 고체 상태를 유지하도록 한다.

또 다른 방법은 PCM을 용기에 담고, 일반적으로 용기 내의 PCM에 잠겨 있는 열교환기를 통해 열전달 유체를 펌핑하여 PCM으로의 열 흐름을 제어하는 것이다. 이 경우 시스템은 현열 저장도 포함하는 "열 배터리" 또는 "TES"(열 에너지 저장)의 하위 범주이다.

특징 및 분류
잠열 저장은 액체→고체, 고체→액체, 고체→기체, 액체→기체 등 물질의 상태 변화를 통해 이루어질 수 있다. 그러나 고체→액체 및 액체→고체 상변화만이 PCM에 실용적이다. 액체-기체 전이는 고체-액체 전이보다 높은 변환열을 가지고 있지만, 액체→기체 상변화는 물질을 기체 상태로 저장하는 데 많은 부피 또는 고압이 필요하므로 열 저장에 실용적이지 않다. 고체-고체 상변화는 일반적으로 매우 느리고 상대적으로 낮은 변환열을 가진다.

초기에 고체-액체 PCM은 현열 저장(SHS) 물질처럼 작동한다. 열을 흡수하면 온도가 상승한다. PCM이 상변화 온도(융점)에 도달하면 모든 물질이 녹을 때까지 거의 일정한 온도에서 많은 양의 열을 흡수한다. 액체 물질 주변의 주변 온도가 떨어지면 PCM은 응고되어 저장된 잠열을 방출한다. −5에서 190 °C까지 필요한 모든 온도 범위에서 많은 수의 PCM을 사용할 수 있다. 20에서 30 °C 사이의 인간 쾌적 범위 내에서 일부 PCM은 매우 효과적이며, 석조물의 비열용량이 약 1 kJ/(kg·°C)인 반면, 200 kJ/kg 이상의 잠열을 저장한다. 따라서 10 °C의 온도 변화가 허용된다면 저장 밀도는 석조물보다 kg당 20배 더 높을 수 있다. 그러나 석조물의 질량이 PCM보다 훨씬 높기 때문에 이 비(질량당) 비열 용량은 어느 정도 상쇄된다. 석조 벽은 200 kg/m2의 질량을 가질 수 있으므로 열 용량을 두 배로 늘리려면 10 kg/m2의 추가 PCM이 필요하다.

alt=3겹의 ENRG 담요 이미지. 유기 PCM이 폴리/포일 필름에 캡슐화되어 있다.|섬네일|건물 적용에서 내구성을 위한 폴리/포일 캡슐화된 유기 바이오 기반 PCM의 예로, HVAC 에너지 소비를 줄이고 거주자의 쾌적성을 높이는 데 사용된다.

유기 PCM
탄화수소, 주로 파라핀(CnH2n+2)과 지질, 그리고 당알코올."Heat storage systems"  (PDF) by Mary Anne White, brings a list of advantages and disadvantages of Paraffin heat storage. A more complete list can be found in AccessScience from McGraw-Hill Education, DOI 10.1036/1097-8542.YB020415, last modified: March 25, 2002 based on 'Latent heat storage in concrete II, Solar Energy Materials, Hawes DW, Banu D, Feldman D, 1990, 21, pp.61–80.

 장점
 과냉각 없이 얼음.
 일치하게 녹는 능력.
 자가 핵생성 특성.
 분리 없음.
 화학적으로 안정.
 안전하고 비반응성.
 단점
 고체 상태에서 낮은 열전도율. 동결 주기 동안 높은 열전달율이 필요하다. 나노 복합체는 유효 열전도율을 최대 216%까지 증가시키는 것으로 나타났다.(2015). Thermal energy storage using phase change materials: fundamentals and applications. Springer
 증류를 통한 정화 비용이 높아 유기물은 날카로운 동결/융점을 가지지 않을 수 있다.
 부피 잠열 저장 용량이 낮을 수 있다.
 가연성. 이는 특수 격납으로 부분적으로 완화될 수 있다.

무기 PCM
염 수화물(MxNy·nH2O)

 장점
 높은 부피 잠열 저장 용량
 가용성 및 저렴한 비용
 날카로운 융점
 높은 열전도율
 높은 융합열
 불연성
 지속 가능성
 단점
 순환 시 불일치 용융 및 상분리를 방지하기 어려워 잠열 엔탈피 손실이 크게 발생할 수 있다.
 금속과 같은 다른 많은 재료에 부식성일 수 있다. 이는 특정 금속-PCM 쌍만 사용하거나 비반응성 플라스틱에 소량으로 캡슐화함으로써 극복할 수 있다.
 일부 혼합물에서는 부피 변화가 매우 크다.
 고체-액체 전이에서 과냉각이 문제가 될 수 있으므로, 반복적인 순환 후에 작동하지 않을 수 있는 핵형성제 사용이 필요하다.
alt=Infinite R 에너지 시트|섬네일|예시: 장기적인 열 안정성을 위한 핵형성제 및 겔화제를 포함한 공융 염 수화물 PCM과 열가소성 호일 거대 캡슐화를 통한 물리적 내구성. 건물 HVAC 에너지 절약으로 이어지는 수동 온도 안정화에 적용된다.

흡습성 물질
많은 자연 건축 자재는 흡습성이다. 즉, 물을 흡수(물이 응축)하고 방출(물이 증발)할 수 있다. 그 과정은 다음과 같다.
응축(기체에서 액체로) ΔH<0; 엔탈피 감소(발열 과정) 열 방출.
기화(액체에서 기체로) ΔH>0; 엔탈피 증가(흡열 과정) 열 흡수(또는 냉각).

상당한 양의 열을 전달하려면 넓은 표면적이 필요하다. 이러한 열 저장, 특히 주간 냉각은 북유럽과 동북아시아의 석조 건축물과 전통적인 스투코 마감재, 그리고 남아시아의 흙, 점토, 소똥 마감재의 장점 중 하나이다.

고체-고체 PCM
고체/고체 상변화를 겪으면서 많은 양의 열을 흡수하고 방출하는 특수한 PCM 그룹이다. 이 물질들은 고정되고 잘 정의된 온도에서 결정 구조를 한 격자 구성에서 다른 격자 구성으로 변경하며, 이러한 변환은 가장 효과적인 고체/액체 PCM과 유사한 잠열을 포함할 수 있다. 이러한 물질은 고체/액체 PCM과 달리 과냉각을 방지하기 위한 핵형성이 필요 없으므로 유용하다. 또한 고체/고체 상변화이므로 PCM의 외관에 눈에 띄는 변화가 없으며, 액체 취급과 관련된 문제(예: 격납, 잠재적 누출 등)가 없다. 현재 고체-고체 PCM 솔루션의 온도 범위는 -50 °C (-58 °F)에서 +175 °C (347 °F)까지이다. 따라서 이 물질들은 액화 없이 상변화를 겪을 수 있는 능력 때문에 전통적인 고체/액체 PCM에 대한 유망한 대안으로 부상했다. 이 특성은 누출 위험을 제거하고 물질 안정성을 향상시킨다. 예를 들어, SSPCM에는 폴리에틸렌 글리콜 및 금속 유기 골격체(MOF)와 같은 고분자 기반 물질이 포함된다. 또한 SSPCM은 스마트 섬유, 전자 냉각 시스템 및 열 적응형 건축 자재에 사용하기 위해 탐구되었다. 열 저장 밀도를 최적화하고 장기 순환 안정성을 개선하기 위한 연구 노력이 계속되어 더 광범위한 상업적 응용을 지원하고 있다. 특히, SSPCM을 나노구조 물질 및 복합 프레임워크와 통합하여 열전도율 및 상변화 동역학을 향상시키는 연구가 진행 중이다.

선정 기준
상변화 물질은 다음과 같은 열역학적 특성을 가져야 한다.
 원하는 작동 온도 범위 내의 융점
 단위 부피당 높은 융합 잠열
 높은 비열, 높은 밀도, 높은 열전도율
 상변화 시 작은 부피 변화 및 격납 문제를 줄이기 위한 작동 온도에서의 낮은 증기 압력
 일치하는 용융

동역학적 특성
 액체 상의 과냉각을 피하기 위한 높은 핵생성 속도
 높은 결정 성장 속도, 시스템이 저장 시스템으로부터 열 회수 요구 사항을 충족할 수 있도록

화학적 특성
 화학적 안정성
 완전 가역적인 동결/용융 주기
 많은 동결/용융 주기 후에도 열화 없음
 비부식성, 비독성, 불연성 및 비폭발성 물질

경제적 특성
 저렴한 비용
 가용성

열물리적 특성

상변화 물질의 주요 열물리적 특성에는 녹는점(Tm), 융해열(ΔHfus), 비열용량(cp)(고체 및 액체 상), 밀도(ρ)(고체 및 액체 상) 및 열전도율이 포함된다. 대표적인 PCM의 열적 특성은 아래에 나와 있다. 부피 변화 및 부피 열용량과 같은 값은 거기에서 계산할 수 있다. 주요 과제 중 하나는 많은 PCM의 본질적으로 낮은 열전도율로, 이는 열전달 효율을 제한한다. 이 문제를 해결하기 위해 탄소 나노튜브, 그래핀, 금속 나노입자와 같은 높은 열전도율 첨가제가 성능 향상을 위해 도입되었다. 또 다른 중요한 문제는 PCM이 빙점 이하에서 액체 상태로 남아 있는 과냉각이다. 핵형성제 및 미세 캡슐화 기술과 같은 솔루션이 이 효과를 완화하기 위해 개발되었다. 또한 상변화 중 부피 팽창은 재료 안정성에 영향을 미칠 수 있으므로 고급 구조 설계 및 격납 전략이 필요하다. 최근 연구에서는 열 반응 시간 및 순환 안정성을 더욱 최적화하기 위해 나노 강화 PCM 및 복합 구조도 탐구했다. 특히 금속 폼을 포함하는 이러한 나노 강화 PCM은 열전도율을 향상시켜 열 관리 응용 분야에서 효율성을 개선하는 것으로 나타났다.
+PCM 유형재료녹는점 (°C)잠열 (kJ/kg)열전도율 (W/m・K)유기 PCM파라핀 왁스20-70150-2500.2-0.4지방산20-70150-2000.2-0.3무기 PCM수화염30-120200-3500.5-1.2금속 PCM30-1000100-30010-50공융염50-250100-2500.5-2.0고체-고체 PCM그래핀 강화 PCM30-150150-3501.0-10.0

기술, 개발 및 캡슐화
가장 일반적으로 사용되는 PCM은 염 수화물, 지방산 및 에스터, 그리고 다양한 알케인 (옥타데케인 등)이다. 최근에는 이온성 액체도 새로운 PCM으로 연구되었다.

대부분의 유기 용액은 무수이므로 공기에 노출될 수 있지만, 모든 염 기반 PCM 용액은 수분 증발 또는 흡수를 방지하기 위해 캡슐화되어야 한다. 두 가지 유형 모두 장단점을 가지며, 올바르게 적용될 경우 일부 단점이 특정 응용 분야에서는 장점이 된다.

이들은 19세기 후반부터 축열 응용 분야의 매체로 사용되어 왔다. 철도리처드 트레비식의 증기 기관차는 1804년에 운행되었다. 및 도로 응용 분야아메데 볼레는 1873년부터 증기자동차를 만들었다.를 위한 냉장 운송19세기 얼음 운송에 대한 얼음 왕 프레데릭 튜더(Frederik Tudor the Ice King)과 같이 다양한 응용 분야에서 사용되었으며, 그 물리적 특성은 따라서 잘 알려져 있다.

그러나 얼음 저장 시스템과 달리 PCM 시스템은 신규 또는 개조 응용 분야 모두에서 모든 기존 물 냉각기와 함께 사용할 수 있다. 양의 온도 상변화는 원심 및 흡수식 냉각기뿐만 아니라 기존 왕복 및 스크류 냉각기 시스템 또는 냉각탑이나 건식 냉각기를 사용하여 TES 시스템을 충전하는 더 낮은 주변 조건에서도 가능하다.

PCM 기술이 제공하는 온도 범위는 중고온 에너지 저장 응용 분야와 관련하여 건물 서비스 및 냉동 엔지니어에게 새로운 지평을 제공한다. 이 열 에너지 응용 분야의 범위는 태양열 난방, 온수, 열 방출(즉, 냉각탑) 및 건식 냉각 회로 축열 응용 분야에 이르기까지 광범위하다.

PCM은 열 순환에서 고체-액체 사이를 변환하므로 캡슐화가 자연스럽게 명백한 저장 선택이 되었다.

PCM의 캡슐화
매크로 캡슐화: 부피가 큰 용기를 사용한 초기 매크로 캡슐화 개발은 대부분의 PCM의 낮은 열전도율 때문에 실패했다. PCM은 용기 가장자리에서 고형화되는 경향이 있어 효과적인 열 전달을 방해했다.
 미세 캡슐화: 반면에 미세 캡슐화는 그러한 문제가 없었다. 이는 PCM이 콘크리트와 같은 건축 자재에 쉽고 경제적으로 통합될 수 있도록 한다. 미세 캡슐화된 PCM은 휴대용 열 저장 시스템도 제공한다. 미세한 크기의 PCM을 보호 코팅으로 코팅함으로써 입자는 물과 같은 연속 상에 현탁될 수 있다. 이 시스템을 상변화 슬러리(PCS)라고 할 수 있다.
분자 캡슐화는 듀폰 드 네무르가 개발한 또 다른 기술로, 고분자 화합물 내에 매우 높은 농도의 PCM을 허용한다. 5 mm 보드에 대해 최대 515 kJ/m2 (103 MJ/m3)의 저장 용량을 허용한다. 분자 캡슐화는 PCM 누출 없이 재료를 드릴링하고 절단할 수 있도록 한다.

상변화 물질은 작은 용기에서 가장 잘 작동하므로 일반적으로 셀로 나뉜다. 셀은 얕은 용기 기하학 원리를 기반으로 정적 수두를 줄이기 위해 얕다. 포장재는 열을 잘 전달해야 하며, 상변화가 발생할 때 저장 물질의 부피 변화에 자주 견딜 만큼 내구성이 있어야 한다. 또한 벽을 통한 물의 통과를 제한하여 물질이 마르지 않도록 (또는 물질이 흡습성인 경우 수분을 흡수하지 않도록) 해야 한다. 포장은 또한 누출 및 부식에 저항해야 한다. 실온 PCM과 화학적 호환성을 보이는 일반적인 포장재에는 스테인리스강, 폴리프로필렌 및 폴리올레핀이 포함된다.

나노입자는 탄소 나노튜브, 흑연, 그래핀, 금속 및 금속 산화물과 같은 PCM에 분산될 수 있다. 나노입자의 포함이 PCM의 열전도율 특성뿐만 아니라 잠열 용량, 과냉각, 상변화 온도 및 그 지속 시간, 밀도 및 점도와 같은 다른 특성도 변경한다는 점에 주목할 가치가 있다. 새로운 PCM 그룹을 NePCM이라고 한다. NePCM은 금속 폼에 추가되어 훨씬 더 높은 열전도율 조합을 만들 수 있다.

열 복합재
열 복합재는 상변화 물질(PCM)과 다른 (일반적으로 고체) 구조의 조합에 부여된 용어이다. 간단한 예는 파라핀 왁스에 담긴 구리 메쉬이다. 파라핀 왁스 내의 구리 메쉬는 복합 재료로 간주될 수 있으며, 이를 열 복합재라고 한다. 이러한 하이브리드 재료는 특정 전체 또는 대량 특성(예를 들어, 표면적-부피 비율 증가 및 그에 따른 높은 열 전달 속도를 위한 개별 이산화규소 나노구에 파라핀 캡슐화)를 달성하기 위해 생성된다.

열전도율은 열 복합재를 생성함으로써 최대화되는 일반적인 속성이다. 이 경우 기본 아이디어는 높은 전도성 고체(구리 메쉬 또는 흑연 등)를 상대적으로 낮은 전도성 PCM에 첨가하여 전체 또는 벌크 (열) 전도율을 높이는 것이다. PCM이 흐르도록 요구되는 경우 고체는 메쉬와 같이 다공성이어야 한다.

항공우주 산업을 위한 유리섬유 또는 케블라 프리프레그와 같은 고체 복합재는 일반적으로 섬유(케블라 또는 유리)와 매트릭스(섬유를 고정하고 압축 강도를 제공하기 위해 고화되는 접착제)를 의미한다. 열 복합재는 명확하게 정의되어 있지는 않지만, 마찬가지로 매트릭스(고체)와 조건에 따라 일반적으로 액체 및 고체인 PCM을 의미할 수 있다. 이는 또한 지구의 미미한 요소를 발견하기 위한 것이다.

 광열 변환 상변화 복합 에너지 저장 물질(PTCPCESMs) 
PTCPCESM은 광열 물질과 결합된 복합 상변화 물질이다. 높은 열전도율, 광열 변환 효율, 잠열 저장 용량, 물리화학적 안정성 및 에너지 절약 효과 덕분에 다양한 산업 분야에서 광범위하게 응용된다.

PTCPCESM은 주로 기능성 담체 물질과 유기 PCM으로 구성된다. 고체-액체 상변화 동안 유기 PCM은 많은 양의 잠열을 흡수하고 방출할 수 있다. 한편, 기능성 담체 물질은 광열 변환의 안정성과 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 다양한 에너지 변환 기능을 도입한다. 광열 변환은 광열 물질의 밴드 구조 및 기타 전기적 특성과 관련되어 다양한 흡수 태양 스펙트럼에 기여한다. 이는 탄소 기반 나노구조(예: 그래핀, CNT), 플라스몬 나노입자(예: Au, Ag), 반도체(예: TiO2, MoS2)와 같은 물질을 사용하여 달성된다. 일반적인 PCM에는 유기 물질(파라핀, 지방산) 및 무기 물질(염 수화물, 금속 합금)이 포함된다.

연구원들은 고효율 PTCPCESM 개발에 노력해 왔다. 상변화 물질과 광열 변환 물질이 통합된 이기능성 상변화 복합재의 결합 형태는 51.25%의 광열 변환 효율에 도달하고 60°C에서 24시간 동안 누출이 나타나지 않았다. 일부 연구원들은 아미노 기능화된 단일벽 탄소 나노튜브를 폴리에틸렌글리콜 기반 폴리우레탄 PCM에 통합하여 새로운 형태 안정형 태양열 변환 및 저장 물질을 합성했으며, 89.3%의 태양열 변환 및 저장 효율에 도달했다.

 상변화 물질의 최근 발전 
고성능 PCM 개발

최근 연구는 재료 혁신을 통해 PCM의 효율성과 안정성을 향상시키는 데 초점을 맞추고 있다. 파라핀 기반 마이크로캡슐화 시스템 및 향상된 열전도율을 가진 염 수화물과 같은 새로운 유기-무기 복합 PCM은 향상된 에너지 저장 능력을 입증했다. 또한 금속 유기 골격체(MOF)는 조절 가능한 상변화 특성과 높은 열 저장 밀도 덕분에 잠재적인 PCM 후보로 연구되었다.

에너지 저장 및 관리 응용 분야

PCM은 특히 재생 에너지 응용 분야에서 에너지 저장 시스템에 점점 더 많이 활용되고 있다. 유망한 접근 방식 중 하나는 PCM을 태양광 및 풍력 발전 시스템의 축열 장치에 통합하는 것이다. 이러한 물질은 발전량의 변동을 완화하여 재생 에너지원의 신뢰성을 높인다. 또한, PCM을 리튬 이온 전지 시스템에 통합하면 열 폭주를 관리하여 배터리 안전성과 수명을 향상시킬 수 있는 잠재력을 보여주었다. 또한 PCM 강화 스마트 창문과 벽은 실내 온도를 조절하고 건물 에너지 소비를 최대 30%까지 줄이는 데 개발되었다. PCM 통합 열펌프 시스템 또한 난방 및 냉방 응용 분야에서 상당한 절약을 입증했다.

도전 과제 및 미래 전망

PCM 열 저장의 장점에도 불구하고 광범위한 구현을 위해서는 해결해야 할 몇 가지 응용 문제가 있다. 많은 경우 유기 재료의 낮은 열전도율이 주요 한계이다.

위의 문제를 해결하기 위해 그래핀 및 탄소 나노튜브와 같은 높은 열전도율 충전재를 통합하려는 노력이 진행 중이다.

또 다른 문제는 PCM의 장기 안정성이다. 반복적인 상변화는 유기 PCM의 경우 재료 열화를 초래할 수 있고, 특정 염 수화물의 경우 상분리를 초래할 수 있지만, 이는 모든 재료를 동일한 상으로 복원하기 위해 단순히 PCM을 "조리"함으로써 일반적으로 되돌릴 수 있다.

이러한 문제를 극복하기 위해 캡슐화 기술과 새로운 안정화 첨가제가 개발되고 있다. 앞으로 나노 강화 PCM 및 하이브리드 재료의 발전은 응용 분야를 더욱 확장하여 미래의 에너지 효율적인 기술에 필수적인 부분이 될 것으로 예상된다.

그러나 적절한 PCM이 제공된다면 그러한 장애물에 직면하지 않는 몇 가지 응용 분야가 있다. 예를 들어, PCM을 포함하는 대형 용기에 염 수화물로 구성된 능동형 축열 장치가 있으며, 열교환기에 의해 충전 및 방전이 이루어진다.

 응용 분야 
상변화 물질의 응용 분야는 다음과 같으나 이에 국한되지는 않는다.

 축열
 태양열 조리
 냉에너지 배터리
 '얼음 저장'과 같은 건물 공조
 열 및 전기 엔진 냉각
 냉각: 식품, 음료, 커피, 와인, 유제품, 온실
 표면에 얼음 및 서리 형성 지연
 의료 응용 분야: 혈액 운송, 수술대, 온열-냉열 요법, 신생아 가사 치료
 부피가 큰 의복 또는 의상 아래 인체 냉각.
 폐열 회수
 비수기 전력 활용: 온수 난방 및 냉방
 열펌프 시스템
 생체기후 건축/건축물 내 수동적 저장 (고밀도 폴리에틸렌, 파라핀)
 화학 반응의 발열 온도 피크 완화
 태양 에너지 발전
 우주선 열 시스템
 차량 내 열적 쾌적성
 전자 장치의 열 보호
 식품의 열 보호: 운송, 호텔업, 아이스크림 등.
 의류에 사용되는 직물
 컴퓨터 냉각
 축열을 이용한 터빈 흡기 냉각
 열대 지역의 통신 쉼터. 전력 소모가 많은 장비(예: 기지국 서브시스템)에서 발생하는 열을 흡수하여 실내 공기 온도를 허용 가능한 최대치 미만으로 유지함으로써 쉼터 내 고가 장비를 보호한다. 기존 냉각 시스템의 전원 공급이 실패할 경우, PCM은 디젤 발전기 사용을 최소화하며, 이는 열대 지역의 수천 개 통신 기지에서 막대한 절감 효과를 가져올 수 있다.

화재 및 안전 문제
염 수화물 상변화 물질은 약 50%의 물을 함유하며 불연성이다. 일반적으로 해수에서 발견되는 일반적인 염으로 구성되어 있으며, 보통 무독성(부식성이 있지만)이며, 더 이상 원하지 않을 경우 원산지인 바다에 버릴 수 있다.

유기 PCM은 일반적으로 가연성이다. 일부는 독성 물질이며, 증류가 일반적으로 완전하지 않으므로 소량의 방향족 또는 기타 독성 석유 정제 분획을 포함할 수 있다.

따라서 PCM은 화재 및 건축 법규와 건전한 엔지니어링 관행에 따라 매우 신중하게 선택하고 적용해야 한다. 화재 위험 증가, 연기, 용기에 보관 시 폭발 가능성 때문에 주거용 또는 기타 상시 점유 건물 내에서 가연성 PCM을 사용하지 않는 것이 현명할 수 있다. 공급업체에 안전 데이터 시트를 요청해야 한다.

 같이 보기 
 히트파이프

 각주 

 출처 
 Phase Change Material (PCM) Based Energy Storage Materials and Global Application Examples, Zafer URE M.Sc., C.Eng. MASHRAE HVAC Applications
 Phase Change Material Based Passive Cooling Systems Design Principal and Global Application Examples, Zafer URE M.Sc., C.Eng. MASHRAE Passive Cooling Application

 추가 문헌 

 Phase Change Matters (산업 블로그)

분류:물리화학
분류:건축공학
분류:지속 가능한 건축물