금속수소화물을 이용한 150□급 수소저장탱크의 제작 및 특성연구

심규성, 김종원, 명광식

한국에너지기술연구소

Fabrication and characteristics of 150□ class hydrogen tank

using metal hydride

Kyu-Sung Sim, Jong-Won Kim. Kwang-Sik Myoung

Korea Institute of Energy Research

1.서론

수소는 화학제품의 원료 및 화학공장의 공정가스로 널리 사용되고 있으며, 현재 인류가 당면하고 있는 환경문제 및 화석연료의 가격상승이나 고갈을 예상할 때 궁극적인 미래의 대체에너지원 또는 에너지 매체(Energy carrier)로 생각되고 있다. 이는 현재의 에너지시스템에 이용되는 화석연료가 사용 후 NOx, SOx, 분진 등과 같은 대기오염물을 배출하여 지구의 환경을 오염시키고 있을 뿐만 아니라 최근에는 화석연료 연소에 따라 배출되는 이산화탄소의 대기중 농도증가로 지구온난화의 우려를 가중시키고 있기 때문이다. 이에 비하여 지원으로의 수소는 다음과 같은 장점을 가지고 있어 미래의 에너지시스템에 가장 적합한 것으로 판단되고 있다. 첫째, 수소는 연료로 사용할 경우에 연소시 극소량의 NOx 발생을 제외하고는 공해물질이 생성되지 않으며, 직접 연소에 의한 연료로서 또는 연료전지 등의 연료로서 사용이 간편하다. 둘째, 수소는 가스나 액체로서 쉽게 수송할 수 있으며, 고압가스, 액체수소, Metal hydride 등의 다양한 형태로 저장이 용이하다. 셋째, 수소는 무한정인 물을 원료로 하여 제조할 수 있으며, 사용 후에는 다시 물로 재순환이 이루어진다. 넷째, 수소는 산업용의 기초 소재로부터 일반 연료, 수소자동차, 수소비행기, 연료전지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 수 있다.

이와 같은 수소에너지 시스템에서 수소의 저장과 수송기술은 수소의 제조 및 이용기술을 연결하는 기술로 효율적인 에너지체계를 구축하는 중요한 기술의 하나이다. 현재 기체, 액체 및 금속수소화물에 의한 수소의 저장과 수송기술이 각기 개발되어 실용화 또는 상용화되고 있다. 아직까지는 고압 기체에 의한 수소의 저장기술이 가장 널리 상용화되어 사용되고 있지만, 사용압력이 150기압 내외의 고압으로 안전성이 항시 문제로 대두되고 있으므로 30기압 이하의 압력으로 저장이 가능한 금속수소화물로의 저장기술이 꾸준히 연구 개발되고 있다.

본 연구에서는 금속수소화물에 의한 수소의 저장방법으로 150□급의 수소저장탱크를 제작하고, 이의 저장특성을 조사하여 장차 수소저장 방법으로 이용 가능성을 검토하였다.

2. 이론

2.1. 수소의 저장

현재 수소의 저장과 수송은 대부분 기체상태로 행해진다. 제한된 체적의 용기에 다량의 수소를 채우기 위해서는 압력을 가하여 15내지 20MPa의 고압 수소가스로 하여 고정식에는 구형의 대용랑 탱크가 이용되고, 저장과 수송용에는 수소실린더라는 내압 용기가 사용되고 있다. 이 때문에 얇고 가벼운 강재 용기가 필요하며, 이 결과 용기의 총중량이 증가하고 코스트도 증가한다. 수소를 -253℃의 극저온으로 액화시키면 상압의 기체수소에 비해 체적은 1/800로 할 수 있다. 액체수소는 통상의 고압수소로 만들고, 수소 lkg당의 액화공정에서 10∼14kW의 전력을 필요로 한다. 또한 액체수소는 증발이 용이하고, 단열성이 높은 특수한 용기에만 저장할 수 있으므로 저장과 이용에 많은 비용이 소요된다.

어떤 종류의 금속이나 합금은 수소와 반응하여 금속수소화물을 만들며, 이때 저장되는 수소의 양은 단위 체적당 액체수소와 동등하거나 그 이상의 밀도로 수소를 저장한다. [그림 1]은 단위체적(1cm3)당 수소의 저장량을 비교한 것으로 20MPa 인 고압수소보다 금속수소화물은 5배 정도의 수소를 더 저장하고 있다.

[그림 1] 단위체적(1cm3)당 수소저장량(0℃, 0.1MPa)의 비교

2.2 금속수소화물에 의한 수소의 저장

수소저장합금은 수소와 반응하여 금속수소화물을 만들 수 있으며, <표 1>에서 보는 바와 같이 많은 금속수소화물들이 액체수소 이상의 밀도로 수소를 저장할 수 있으므로, 고압가스로 수소를 저장하는 것보다 저장효율의 향상이 기대되어 수소저장용으로 금속수소화물의 개발이 이루어지고 있다. 금속 및 합금 M이 수소와 반응하여 금속수소화물을 만드는 반응에서 반응열을 □H라고 하면, 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

흡수(발열)

2/nM + H2   □□□□□□□   2/nMHn ± □H

방출(흡열)

<표 1> 기체, 액체, 고체수소와 금속수소화물의 밀도와 수소함량

매체	밀도(gr/cm2)	수소함량(wt%)	원자수 H/cm3 (1022)
H2 (liquid)	0.07	100	4.2
H2 (gas, 150atm, 20℃)	0.012	100	0.38
NH3 (liquid)	0.6	17.7	6.5
MgH2	1.4	7.6	6.7
TiH2	3.8	4.0	9.1
VH2	2.9	2.08	11.37
Mg2NiH4	2.6	3.6	5.6
FeTiH195	6.1	1.52	5.5
LaNi5H6	8.25	1.37	6.76

일반적으로 수소를 흡수하는 반응은 발열반응이며, 수소를 방출하는 반응은 흡열반응이다. 이들 반응은 수소의 압력과도 관계하게 되므로 온도 및 압력을 조절하여 수소를 저장하거나 저장된 수소를 다시 방출시킬 수 있다.

수소저장합금으로 금속수소화물은 다음과 같은 특성을 가지고 있어야 한다.

① 활성화가 용이할 것. ② 수소의 저장능력이 클 것. ③ 수소의 흡수 및 방출속도가 클 것. ④ 사용온도에 적합한 생성열(반응열)을 가지고 있을 것. ⑤ 수소의 흡수와 방출과정에서 평탄압력을 나타내는 Plateau 영역이 크고, 그 경사도가  작을 것. ⑥ 수소의 반복적인 흡수와 저장에 따라 열화되지 않을 것. ⑦ 불순가스에 대한 내피독성이 클 것. ⑧ 합금의 가격은 저렴하고 가벼울 것. ⑨ 합금의 미분화가 작고, 내구성이 우수할 것 등이다.

3. 수소저장탱크의 제작

금속수소화물을 이용한 수소저장탱크의 시제품으로 150□급의 것을 제작하여 그 사용 가능성을 검토하였다. 사용된 합금은 MmNi4.7Al0.1Fe0.1V0.1 이었으며, 1,460gr의 합금이 소요되었다. 합금을 충전시킬 탱크는 가벼운 재질로 알루미늄을 선택하였는데, 이는 열전달이 비교적 우수하고 가볍기 때문이다. 또한 수소저장합금에 수소를 흡수시키거나 방출시킬 때 수반되는 반응열을 공냉의 방법으로 열교환을 시키도록 하였다. 본 목적에 적합한 알루미늄 탱크 본체를 구하였는데, 이는 다른 목적으로 이미 제작된 것으로 열교환기의 용도로 제작된 것을 이용하였다. 전체 수소저장합금탱크의 시제품은 [그림 2]에서 보는 바와 같으며, 알루미늄 탱크부분은 자체무게가 4.5kg의 것으로 비교적 무거웠는데, 이는 두께가 두껍고 방열을 위한 핀(Fin)이 95mm로 길었기 때문이다. 알루미늄 탱크의 외경은 135mm, 길이는 400mm 이였으며, 합금이 충진되는 내통부분의 외경은 40mm, 내경은 35mm, 그리고 두께는 5mm 이었고, 내통 주위에는 두께 3mm, 길이 95mm 인 핀 28개가 배열되어 있다. 이 알루미늄 탱크부분은 높이 110mm, 외경 250mm인 원통형 스탠드가 지지하고 있다. 수소저장합금의 미분화에 따른 합금분말이 밖으로 나오지 않도록 0.5□의 금속필터를 탱크의 연결라인에 설치하였으며, 내부의 압력을 알아보기 위해 압력계도 부착하였다.

탱크내부에는 지름 35mm, 높이 5mm의 구리컵을 층층이 쌓았으며, 이 컵의 중앙에는 수소의 통로로 지름이 5mm 되게 스테인레스 메쉬를 감아서 관통하도록 하였으며, 구리컵에 수소저장합금을 저장하여 탱크벽과 열교환이 잘 이루어지도록 하였다.

[그림 2] 150□급 저장탱크의 사진

4. 실험

제작된 수소저장탱크는 먼저 합금을 활성화시키기 위하여 오랜 시간동안(Overnight) 진공펌프를 이용하여 내부의 공기를 제거하였으며, 약 30기압의 수소를 충전하여 활성화를 촉진시켰다. 수소가 흡수된 후 다시 수소를 방출 및 흡수시키는 조작을 여러 차례 반복하여 수소의 저장능력을 증대시켰다.

본 수소저장탱크의 특성을 분석하기 위하여 1/4□ 연결 파이프를 이용하여 30기압의 수소를  1분, 5분, 10분, 20분 및 30분간 흡수시킨 후 압력의 변화가 없을 때까지 방치한 후, 1□/min의 속도로 수소를 방출하면서 방출시간, 방출압력 및 방열판의 온도를 측정하였다. [그림 3]은 흡수시간에 따른 방출량 및 방출압력을 나타낸 것으로 수소의 방출량은 흡수시간이 증가함에 따라 증가하여 30분간 흡수시켰을 경우에 수소 방출량이 162□로 가장 많았으며, 이는 본 저장탱크의 합금에 충분히 수소를 저장시키기 위해서는 30분 정도의 시간이 소요됨을 보여주고 있다. 20분 및 30분동안 수소를 흡수시키는 과정에서 방열판의 온도는 서서히 올라가 수소흡수 20분 정도에서 방열판의 온도가 최대가 되었으며, 두 경우 모두 실온인 27℃ 보다 9℃가 높은 36℃가 되었다.

[그림 3] 수소 흡수시간에 따른 수소방출량

5. 결과 및 토론

시제품에 사용된 MmNi4.7Al0.1Fe0.1V0.1 합금은 낮은 온도에서도 비교적 높은 압력의 수소 흡수-방출 특성을 가지고 있어, 20℃에서도 5기압 정도의 방출압력을 나타내고 있다. 실험에서 보는 바와 같이 MmNi4.7Al0.1Fe0.1V0.1 합금을 이용한 150□급 시제품 탱크는 30분 정도의 시간으로 수소를 충전시킬 수 있고, 분당 1□의 유량으로 수소를 방출시킬 수 있어 수소저장탱크로 상당히 유용하게 사용할 수 있는 것으로 평가되었다. 본 150□급 시제품 탱크는 당초 열교환의 다른 용도로 제작된 알루미늄 탱크를 이용하여 수소저장탱크를 만들었으므로 탱크자체의 무게가 상대적으로 무거워 받침대를 제외한 무게가 6kg 정도였으나, 보다 적절한 구조로 알루미늄 탱크를 설계한다면 좀 더 가벼운 탱크를 제작할 수 있을 것이다. 기존의 수소저장 고압용기가 55kg 이상의 무게에 약 5m3을 저장하고 있지만, 120기압 이상의 고압으로 저장되어 있는데 비해 금속수소화물로 수소를 저장할 경우에는 45kg 정도의 합금으로 같은 양의 수소를 저장할 수 있으면서 무게가 비슷한 수소저장용기를 만들 수 있을 것이다. 이 저장용기는 무엇보다도 저장압력이 20기압 정도로 낮아 비교적 안전한 저장방법으로 생각되고 있으므로 기존의 실린더에 저장하는 용량과 같은 5m3의 수소저장합금 수소저장탱크를 개발한다면, 용기의 무게는 거의 같으나 수소저장 압력을 훨씬 낮게 하여 저장할 수 있으므로 안전하고도 사용의 편이성이 증대될 것으로 생각되고 있다.

참고문헌

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