수소저장재료 개발 동향

수소저장기술은 수소경제를 달성하기 위해 개발해할 핵심기술이다. 이 논문에서는 고체수소저장기술의 최신 개발 동향을 고찰하였다. 나노구조 탄소계 물질(nanostructured carbon materials), 유기금속구조물(metal organic framework, MOFs), 금속수소화물(metal hydrides), 클래스레이트수화물(clathrate hydrates), 금속착수소화물(complex chemical hydrides)과 같은 고체수소저장매체를 중점적으로 고찰하였다. 그 결과 지금까지 개발된 고체수소저장재료의 수소저장용량은 고체의 표면적에 비래하여 증가함을 알 수 있었다. 또한 수송용 탑재형 수소저장 응용을 목적으로 안전하면서도 가역적 고밀도 수소저장이 가능한 기능성 신 나노재료의 개발 방향을 제시하였다. 서론 올해 들어 기후환경협약이 실질적으로 가동되고, 또한 오일 유가가 매일 최고가를 갱신하면서 석유를 대체할 수 있는 신에너지의 개발이 절실해졌다. 현재 에너지수요를 충족시키기 위해 인류가 사용하고 있는 에너지원은 재생 불가능한 화석에너지이다. 산업화가 가속화되면서 재생 불가능한 화석연료의 사용량은 엄청나게 증가하여 고갈의 위기에 처해 있으며, 연소과정에서 부산 되는 유해물질은 환경과 자연생태계의 파괴를 초래할 것으로 예측 된다. 과학자로부터 일반인에 이르기까지 모든 사람들이 이러한 어려운 문제를 잘 인지하고 유해물질의 배출이 없으면서도 지속적으로 공급이 가능한 신·재생에너지원의 개발에 주력하고 있다. 수소는 이 목적에 가장 부합되는 미래의 에너지원이다. 수소는 지구상 어디에나 풍부히 존재하는 물로부터 지속적으로 제조할 수 있어서 그 원료가 고갈될 염려가 없으며, 연소하면 공해물질은 거의 배출하지 않고 다시 물을 생산하는 청정에너지이다. 그러나 수소를 에너지원으로 사용하는 수소에너지경제가 실현되기 위해서는 수소의 제조, 저장, 운송 등 극복해야할 기술적 과제가 아직 산적해 있다. 그중에서도 수소저장은 수소에너지 이용을 현실화하는데 가장 중요한 기술이다. 특히 화석연료의 고갈이 앞당겨 질것으로 예견되는 현 시점에서 구조적으로 화석에너지에 전적으로 의존할 수밖에 없는 자동차나 항공기와 같은 수송용 운반체의 경우 탑재형 수소저장기술 개발은 가장 우선적으로 해결해야할 기술이다. 수소를 수송용 자동차의 연료로 사용하기 위한 필수 조건은 수소를 고밀도로 저장하여야 하며, 수소의 저장과 방출 속도가 빨라야 한다. 그러나 아직까지는 이 조건을 만족하는 수소저장기술은 압축기체수소저장(compressed gas hydrogen storage)과 액체수소저장(liquid hydrogen storage)이라고 할 수 있으나, 안전성 관점에서 이 두 저장방법은 기술적으로 해결해야할 문제점이 아직 많이 있다. 최근에는 안전하면서도 가역적으로 고밀도 수소저장이 가능한 수소저장매체의 개발이 연료전지 실용화기술 개발과 함께 활발히 진행되고 있다. 특히 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNTs), 유기금속구조물(metal-organic frameworks, MOFs), 금속수소화물(metal hydrides), 금속착수소화물(complex chemical hydrides), 클래스레이트수화물(clathrate hydrates)등 새로운 나노구조 물질이 수송용에 가장 적합한 탑재형 수소저장매체로 평가되어 최근에 활발히 연구 개발되고 있다. 아직은 이들 재료의 수소저장/방출 특성에 관한 연구가 초보단계이지만 장기적으로 수송용 수소저장기술을 해결해 줄 것으로 예상되어 국내외적으로 많은 관심을 끌고 있다. 이 글에서는 위에서 언급한 수소저장매체를 중심으로 고체수소저장기술 개발 현황을 고찰하고 향후 기술개발 방향을 논의하였다. 먼저 기존 화석연료의 문제점을 점검하고 수소에너지경제로의 전환의 필요성을 제시하였다. 수송용 응용을 위해 개발하여야할 수소저장기술의 개발 목표를 고찰하였다. 끝으로 대표적인 고체수소저장기술을 검토하고 향후 수송용 탑재 수소저장재료의 개발 방향을 제시하였다. 수소에너지경제의 필요성 화석연료는 인류에게 가장 중요한 에너지원으로 크게 석유, 천연가스, 석탄으로 분류된다. 화석연료는 재생이 불가능한 에너지 형태로, 인구증가, 산업발전, 생활수준이 향상되면서 세계적으로 그 수요가 엄청나게 증가하고 있다. 또한 화석연료는 특정 지역에 매장량이 집중되어 궁극적인 에너지자원으로 그 역할을 다 하기는 어렵다. <그림 1>은 화석연료의 불균형적인 생산과 소비 형태를 잘 나타내고 있다.

개발도상국들의 경제성장 속도가 빠르게 진행되면서 에너지 소비가 급속히 증가되어 국제석유가의 급등은 당분간 피할 길이 없게 되었다. 현재 보유한 화석연료 중 석유의 경우 최대 40년, 천연가스는 60년, 비교적 풍부한 석탄은 앞으로 164년 정도 지나면 고갈될 것으로 평가되고 있다. 이처럼 에너지 소비는 증가하고 매장량은 감소하여 화석연료를 기반으로 하는 경제시스템이 한계에 도달하여 에너지의 안전한 공급을 위해서는 재생 가능한 에너지 경제로의 전환을 과감히 시도하여야 한다. 화석연료의 사용으로 인해 인류가 직면하고 있는 또 하나의 문제는 화석연료가 연소하면서 발생하는 유해가스가 환경을 크게 오염시키고 있으며 CO2 배출에 기인한 온실효과로 지구의 온도가 상승하여 생태계의 파괴를 초래하고 있다. CO2의 배출량을 두드러지게 증가시키는 산업분야는 <그림 2>에 보인바와 같이 수송, 생산, 전력 산업분야인데, 수송분야 산업이 전체 온실가스 배출량의 70% 이상을 차지하고 있으며 현재 경트럭과 승용차가 소모되는 화석연료의 많은 부분을 차지하고 있다. 이러한 불균형은 2025년까지 지속될 전망이다. 수송산업의 연료를 재생 가능한 청정에너지로 대치하면 에너지 효율을 높일 수 있으며, 온실효과 가스의 발생도 크게 감소시킬 수 있다.

교토 기후협약 의정서의 서명은 CO2와 기타 온실가스의 감축의 계기를 마련하여 지구환경 변화를 예방하고 친환경 에너지경제 시스템을 구축하게 하였다. 재생 가능한 에너지원사용은 내연기관의 에너지효율을 크게 향상시킨다. 예로 기존의 화석연료를 사용하면 내연기관이 평균 35%의 에너지효율을 보이는 반면 재생 가능한 에너지원을 이용할 경우 85%의 높은 효율을 얻는다. 가솔린을 이용한 차량의 내연엔진의 경우 연료를 연소하여 기계적인 힘을 얻는데 변환효율이 30%에도 미치지 못하는 반면, 재생 가능한 에너지원을 이용한 수소·연료전지를 통해 동력을 얻는 자동차의 경우 60% 이상의 변환효율을 얻을 수 있다. 위에서 언급한 경제적, 환경적 요인 때문에 화석연료를 기반으로 한 현재의 에너지경제 시스템은 재생 가능한 연료를 기반으로 한 에너지경제 시스템으로 과감히 전환되어야 한다. 수소경제야 말로 미래의 에너지경제를 이끌어갈 가장 적합한 에너지 체계이다. 수소경제로 전환하기 위해서는 수소의 제조와 저장기술의 발전이 반드시 수반되어야 한다. 수소저장기술 수소는 무색, 무취, 무미, 무독성의 가연성 기체로서 단위 질량당 에너지밀도가 매우 큰 특성을 지니고 있다. 수소는 우주 전체에 존재하는 가장 풍부한 원소(질량 퍼센트로 약 75%)이지만 높은 반응성 때문에 일반적으로 순수한 수소의 형태로 존재하지는 않는다. 그러나 수소를 수송 분야의 에너지원으로 사용하기 위해서는 수소의 물리적 상태의 변환이 필요하다 <그림 3>.

수소는 -262 OC 이하의 온도에서 70.6 kg/m3 의 밀도를 가진 고체 상태로 존재하고, 0 OC 이상 1 bar 상태에서는 0.089 kg/m3 의 밀도의 가스 상태로 존재한다. 수소는 3중점(triple point)과 임계점(critical point) 사이의 작은 영역에서 밀도가 70.8 kg/m3(-253 OC)인 액체상태로 존재한다.(<그림 3>에서 검정색 영역으로 표시). 상압 조건에서 수소는 Van der Waals 상태방정식의 거동을 따른다. 수소가 갖는 에너지로서의 특성은 수소의 물리적 상태에 크게 의존한다. 상태도에 따르면 수소를 기체로 저장하면 수소분자들이 용기 안에 일정한 형태를 유지하지 않고 임의적으로 채워져 저장된다. 따라서 가한 압력에 따라 수소의 저장량은 증가하며 700 bar 정도의 압력에서는 약 10 wt%의 수소가 저장되는 것으로 알려져 있다. 그러나 고압을 견뎌주는 용기재질의 개발과 실재 이용에는 위험성이 항상 뒤따른다는 문제점이 있다. 수소를 액상으로 저장하는 경우는 수소분자들이 응축이 되어 액체상태로 용기 안에 저장되는데 수소를 액체로 유지하기 위해서는 극저온을 필요로 하며 이용 시 액체수소의 증발에 의한 손실이 크다는 단점이 있다. 수소를 수송용에 이용할 때는 대부분이 고압기체저장과 액체저장을 혼용한 고압액체수소저장방법을 택하고 있다. 수소를 수송 부문의 연료로 사용할 수 있는지는 두 가지 인자, 즉 비에너지(specific energy)와 에너지밀도(energy density)에 의해 결정된다. 비에너지는 연료에 함유된 알짜 에너지(net energy)로서 연료의 단위질량당 에너지이며 연료 공급 시간을 결정한다. 에너지밀도는 알짜 에너지/연료의 단위부피(kWh/m3)로 표현하며 연료저장시스템 부피는 수소의 에너지밀도에 의해 좌우된다. 상온, 상압 조건에서 수소의 에너지밀도는 화석연료의 1/10 수준으로 낮다. 이러한 관점에서 고압수소기체저장이나 액체수소저장기술은 수송용 응용에 적합한 수소저장기술이 아니며, 그 외의 수소를 고밀도로 저장할 수 있는 기술이 개발되어야한다. 이를 위해서는 수소기체저장이나 액체수소저장의 한계를 피할 수 있는 저장기술의 개발이 필요하다. 그 방법은 <그림 4>에서 보인 수소저장 메커니즘에서 잘 예측할 수 있는바와 같이 높은 표면적을 갖는 고체저장재료에 흡착의 수단으로 저장하거나, 고체저장재료의 격자 사이에 저장하는 기술, 혹은 고체저장재료와 화학반응을 통해 저장되는 방법들이 있다. 현재까지 개발된 이 부류에 속한 수소저장매체들의 수소저장밀도는 <그림 5>에 잘 나타나 있다.

수송용 수소저장기술 개발 목표 수소를 수송용 연료로 사용할 때 수소저장 용량의 목표치는 나라마다 다소 다르다. 예를 들면, 미국의 경우 일반적인 2000 kg인 승용차의 주행거리인 600-700 km를 기준으로 수소저장의 기술개발 목표로 삼는 반면, 유럽과 일본의 경우는 1000 kg의 차량을 기준으로 기술개발의 목표치를 설정하고 있다. 미국에서는 기술개발에 에너지성(DOE)과 자동차 연구를 위한 US 의회(US Council for Automobile Research)의 파트너쉽인 FreedomCAR 프로젝트가 제안한 기술기준을 사용하고 있다. 일본은 world-energy network (WE-NET) 가 추천한 기술기준을 사용하고 있다. 실제 응용을 위해 필요한 중요한 수소저장 기술요소들은 비에너지, 에너지밀도, 수소방출 온도, 수명, 충전 시간이다. FreedomCAR, WE-NET, IEA(International Energy Agency)가 제시한 2010년에 달성해야 할 수소저장 목표를 <표 1>에서 비교하였다. <표 1>에서 알 수 있듯이 FreedomCAR 프로젝트에서 가장 높은 목표치를 설정하고 있다. <표 2>에서 알 수 있듯이 2010년 비에너지 목표치는 2 kWh/kg 이다. 비에너지는 최대시스템질량당 알짜이용에너지로부터 계산한다. 저장매체와 함께 수소의 비에너지는 중량저장용량으로 쉽게 표현하고 목표치는 6.5 wt% (2 kWh/kg)에 해당 한다. 비에너지 측정 시 시스템 중량에는 연료공급 인프라와 관련된 하드웨어의 중량도 포함되어 있다. 새로운 저장재료를 개발할 때 기준이 되는 척도는 <표 1>과 <표 2>에 보인 FreedomCAR가 제안한 목표를 만족하는지를 항상 검토하여야 한다. 마이크로/나노 다공성 고체재료가 지난 수년간 새로운 수소저장매체로 많은 관심을 끌고 있다. 그중에서도 집중적으로 연구개발되고 있는 재료는 탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNTs), 유기금속구조물(metal-organic frameworks, MOFs), 금속수소화물(metal hydrides), 금속착수소화물(complex chemical hydrides), 클래스레이트수화물(clathrate hydrates), 제올라이트(zeolites) 등 새로운 나노구조 물질이다. 이 물질들의 공통적인 특징은 매우 큰 비표면적을 갖고 있어 수소가 화학/물리 흡착할 수 있는 많은 미세 기공을 가졌다는 점이다. 이 물질들은 높은 에너지밀도로 인해 이동형 연료전지 산업에서 매우 중요하게 고려하고 있는 수소저장재료이다. 다음에는 이러한 새로운 고체수소저장 물질의 수소저장 특성에 대하여 논의하겠다. 물론 이들 다공성 물질의 수소저장 거동에 대한 연구는 아직 초기단계 수준이다. 그래서 물질들의 수소저장 특성은 FreedomCAR 프로젝트에서 제안하고 있는 목표 즉, 중량 및 체적수소저장용량을 기준으로 두고 논한다. 이러한 물질들이 높은 중량/체적수소저장용량을 보인다면 정지형 대량 에너지저장 분야에서 실질적으로 쓰일 수 있을 것이다. 고체수소저장기술 ·금속/금속간 수소화물(metal/inter-metal hydrides) ·금속착수소화물(complex chemical hydrides) ·나노구조 탄소재료(nanostructured carbon materials) ·유기금속구조물(metal-organic frameworks (MOFs)) ·클래스레이트수화물(clathrate hydrates) 그 밖의 수소저장 신 재료들이 연구 중이다. 결론 이 글에서는 수소경제 실행에 필요한 전반적인 면을 개괄적으로 살펴보았다. 먼저 현재 화석연료를 기반으로 하는 에너지경제의 동향을 고찰하고, 화석연료 에너지경제에서 지속적으로 공급이 가능한 청정에너지경제로의 전환이 필요한 이유를 설명하였다. 수소에너지는 이런 관점에서 경제적으로나 환경적으로 가장 적합한 미래의 에너지이다. 다양한 대체에너지 중에 수소는 그 원료가 지구상에 풍부히 존재하는 물이며 높은 비에너지를 가져서 미래의 에너지원으로 확고한 위치를 차지하고 있다. 그러나 상온, 상압에서 수소의 에너지밀도는 기존의 연료의 밀도보다 거의 3배정도 낮다. 그러므로 수소를 연료로 사용할 경우, 특히 이동형 응용 목적으로 사용할 때는 안전하면서도 가역적인 고밀도 수소저장기술이 개발되어야한다. 탄소나노튜브, 금속간수소화물, 금속착수소화물, 유기금속구조물, 클래스레이트수화물과 같은 새로운 고체수소저장기술을 연구하고 있는 중이다. 특히 전이금속을 도핑한 탄소나노튜브의 경우 수송 부문 응용을 위한 수소저장 매체로서 해결책을 제시해줄 것으로 생각된다. 다른 물질의 경우 이동형 수소저장 분야에 매우 이용가능하나 응용을 하기 위해서는 아직 많은 기술적인 문제점들이 해결되어야 하는 실정이다.