월간전기



[연재] 수소, 연료전지 개발동향

2007-01-02

연구개발 방안수소에너지 시스템을 실용화하기까지는 제조, 수송, 저장, 변환, 이용 등 모든 분야에 있어서 해결해야할 많은 문제가 있다. 수소에너지 시스템을 개발하기 위해서는 수소를 싼 값으로 대량 생산할 수 있는 제조법, 경제적인 저장과 수송법 및 연료전지 등과 같은 다양한 이용기술의 확보가 선행 되어야 한다.(1) 광촉매 활용 수소 제조기술광화학 수소 제조 기술은 광촉매를 그 기본 작동원리로 하고 있다. 즉 반도체 물질이 태양광을 흡수하면 가전대의 전자가 여기되어 고도의 환원력을 가진 광전자(photoelectron)와 산화력을 가진 정공(hole)이 생성된다. 정공은 물을 산화하여 산소를 발생시키고 전자는 전선을 통해 음극쪽으로 이동하여 물을 환원시켜 수소를 발생시켜, 물이 각각 다른 방에서 수소와 산소로 완전 분해된다. 이 기술은 1972년에 일본의 Honda & Fujishima에 의해 처음으로 개발되었으나 실용성을 갖추기 위한 10%의 광효율(수소 발생에 사용된 광자 수/입사된 태양 광자 수)을 얻는 것이 지극히 어려워‘꿈의 기술’혹은‘기술의 성배(Holy Grail)’로 불려왔다. 광촉매를 이용하여 지구상 가장 풍부한 에너지원인 태양광과 가장 풍부한 부존자원인 물로부터 수소를 제조하는 이상적인 에너지기술인 광화학 수소제조 기술은 광촉매 소재와 이를 시스템화하는 소자화 기술을 기반 으로 한다. 따라서 본 기술은 광촉매 소재를 분자 혹은 나노 수준에서 설계, 조절(에너지 띠구조 등) 및 합성하여 시스템으로 조립하는 기술이 필요하다. 궁극적인 기술 목표를 달성하기 위해서는 물질의 탐색과 최적화를 통해 효율을 극대화 시켜야 하며(10% 이상), 시스템의 장기안정성을 개선해야 한다(20,000시간 이상). 또한 소재의 가격절감과 태양광 효율을 향상시켜야 할 것으로 판단된다. 개발된 기술을 토대로 system engineering과 scale-up이 수행되어야만 궁극적으로 태양광 수소제조시스템을 통한 수소에너지를 확보할 수 있을 것이다. 현재 외국의 경우 소재와 시스템 개발이 동시에 이루어지고 있으며, 아직도 해결해야할 기술적 어려움이 있지만, 상당한 연구 진척을 이루어 놓은 상태이다. 미국 DOE에서 제시한 광화학 수소제조의 목표에 의하면 2015년 광효율 14%, 수명 20,000시간, 수소제조 가격 5달러/kg-H2로 설정하였다. DOE에서는 제시한 광효율이 확보될 경우 기존의 화석연료와의 가격경쟁성이 있어 기술을 실용화할 수 있을 것으로 판단하고 있다. 또한 IEA의 광화학 수소 제조 프로그램인 ANNEX-20에서도 비슷한 목표를 제시하고 있다. 기존의 제시된 자료들을 통해 2030년 이후의 수소경제시대를 위해서는 최소한 10∼15년 전에 기반기술이 확보되어 있어야하며, 이런 점에서 2015년으로 제시된 목표치는 현실적으로 타당하다고 판단된다.(<표 1>참조) 영국의 경우 수소생산 가격(2004년도)을 수소생산방법에 따라 산정하였다. 광촉매(Tandem Cell)에 의한 수소제조 가격은 태양전지를 이용하여전기를 만들고 전기분해에 의해 물로부터 수소를 제조하는 간접 전환법보다 훨씬 가격 경쟁력이 있는 것은 물론이고 천연가스 개질과 석탄가스화에 의한 수소생산에 비해서도 가격경쟁력이 크게 떨어지지 않는 것으로 나타났다. 따라서 초기의 수소에너지원은 화석연료에 기반을 둔 에너지원으로부터 확보되어야 할 것이나, 장기적인 관점에서는 친환경적인 태양광과 물로부터 광촉매를 이용하여 제조되어야 할 것이다.(<표 2>참조)(2) 생물학적 수소 제조기술이 기술에는 물을 직접 분해하는 직접적인 방법과 물을 기질로 이용한 광합성 미생물에 의한 수소제조법 등의 간접적인 방법, 식물체내 엽록체 및 미생물 효소를 추출하여 균체 외(in vitro)에서 수소를 발생시키는 기술, 광합성 세균의 일산화탄소 전환 반응에 의한 수소제조기술 등이 있다. 조류(algae)나 박테리아(bacteria)가 태양을 에너지원으로 사용하여 수소를 생산하는 방법도 있다. 미생물에 의한 수소생산 기술은 동시에 산소발생, 이산화탄소 흡수 등 수소 생산 과정이 매우 환경친화적일 뿐만 아니라 비타민, 색소, 피부암 치료제 등의 고부가가치 부가산물의 생산도 가능하여 현실화 가능성이 크다. (3) 열화학적 수소 제조기술열화학적 사이클에 의한 수소제조방법은 3,300K 이상의 온도에서 수행되는 직접 열분해에 의한 물분해 과정을 산화환원이 용이한 매개체 물질을 사용한 화학반응을 이용하여 단계적 반응으로 나누어 1,300K이하의 온도에서 물을 분해하는 폐 사이클을 구성하는 기술이다. 직접적인 물 분해에 의한 수소제조 방법은 고온이 요구되어 현실상 문제가 있으며, 또한 실제 고온을 얻을 수 있다 하더라도 고온에서 실행되는 설비시스템에 필요한 내구성을 갖춘 재료를 찾는데 어려움이 있다. 따라서 열화학적 수소제조 공정에서는 물 분해 과정을 다단계 반응으로 나누어 비교적 낮은 온도에서 수소를 제조할 수 있도록 매체를 활용하며, 다단계 열화학적 분해과정을 이용한다.(4) 전기분해에 의한 수소 제조기술전기분해는 전류를 물에 통과시켜 수소와 산소로 분해하는 방법인데, 이때 음극에서는 수소가, 양극에서는 산소가 얻어진다. 전기분해로 생산되는 수소는 고순도이기는 하나 전기를 에너지원으로 사용하기 때문에 제조 가격이 매우 비싸다는 단점이 있다. 전기분해로 제조한 수소가격은 현재 천연가스로부터 제조하는 경우보다 약 10배정도 더 비싸다. 그러나 지구상에 물이 풍부히 존재하며 재생 가능하므로 발전기술이 더 발달한다면 전기분해는 미래의 수소제조기술로 크게 관심을 끌게 될 것이다. (5) 고압기체 수소 저장기술고압기체 수소저장은 기체 상태의 수소를 압축기(compressor)로 압축하여 고압 연료용기에 350∼700기압의 상태로 채워서 단위 체적당 에너지 밀도를 증가시켜 수소를 저장하는 기술을 말한다. 이러한 350∼700기압 고압용기에 저장된 연료는 압력 조정기를 거쳐 상압까지 감압시킨 후 가스/공기 혼합기를 거쳐 이용된다. 이러한 고압용기 충전방법 기술들은 정치형(定置型) 이외에 수소/천연가스 자동차와 같은 이동형(移動型)에도 운용되고 있으며, 고압용기에 대한 안전기준이 확립되어 있고 취급도 용이하다. 그러나 고압상태에도 불구하고 기존 액체 연료에 비해 수소의 에너지밀도가 매우 낮으므로 연료 수송에 제한을 받고 있다. 이외에도 낮은 체적에너지 밀도로 인한 연료용기의 공간확보와 고압으로 압축 충전하는데 필요한 압축기의 구동 동력 등 종합적인 에너지 효율을 고려해야 한다.(6) 저온액체 수소 저장기술수소는 대기압 하에서 -253℃이하가 되어야 액체상태로 존재하기 때문에 극저온냉동기를 이용한 수소액화기술이 필요하다. 상온상압(1기압, 298K)의 수소를 1기압의 액체(20K)로 액화할 때, 등온압축과 단열팽창으로 이루어진 과정이 실제로 이루어지기 위해서는 압축압력이 수천내지 수십만 기압이 되어야하므로 현실적으로는 불가능하다. 따라서 압축된 고압수소를 액체용기에서 배출되는 포화증기와의 열교환으로 일단 냉각한 후 밸브에서 JT(Joule-Thomson) 팽창에 의해 대기압의 포화영역에 도달하게 하고, 포화상태의 수소 중 포화액체부분을 추출한 후, 포화증기 부분은 고압수소와 열교환하며 고온이 되게 한다. 단순 Linde-Hampson 액화의 원리는 재생형 Joule-Thomson 냉동의 원리와 유사하므로 수소와 같이 최대역전온도(Maximum inversion temperature)가 상온보다 낮은 기체를 액화할 수 없으므로 액화를 위해서는 반드시 역전온도이하로 예냉(precooling)을 해야 한다. 헬륨기체를 냉매로 하는 재생형 냉동기를 이용한 예냉방법(소형에 적당함)이 있다. 또한 대량으로 수소를 액화하기 위해서는 반드시 팽창기(expander)를 이용한 Claude 시스템을 사용한다. 고압수소의 일부를 추출하여 단열팽창기로 대기압까지 팽창시키면 저온의 수소기체가 얻어지며 저압의 수소와 혼합되는 구성이므로, 이러한 시스템에서 고압의 수소는 외부로 일을 하며 팽창하여 예냉이 없이도 액체에 도 달할 수 있으며 액화의 효율도 우수하다. 수소액화에 이용될 수 있는 극저온용 액화 사이클로는 액체질소 예냉식 Linde-Hampson 사이클, GM-JT 사이클, 액체질소 예냉식 Claude 사이클과 그밖에 액체질소와 저온의 기체헬륨을 동시에 사용하는 액체질소-기체헬륨 예냉식 수소액화 사이클 등이 있다.(7) 저장합금을 이용한 수소저장기술 수소저장합금을 이용하는 방법은 다음과 같은 수소저장합금과 수소와의 가역반응을 이용하는 것이다. 계의 온도를 낮추거나 수소압력을 높이면 수소저장합금에 수소가 흡수되고, 반대의 경우에는 수소를 방출하게 된다. 수소는 위 식과 같은 화학반응에 의해 금속수소화합물을 형성하며, 수소저장합금내의 빈 공간인 침입형싸이트 내에 위치함으로써 안전하고 효율적인 저장이 가능하다. 수소저장합금은 수소와 친화력이 큰 금속(A라고 함)과 친화력이 작은 금속(B라고 함)의 합금으로 이루어져 있어서, 상온부근에서 수소의 흡수-방출이 가능하다. 수소저장합금을 조성별로 분류하면 다음과 같다. AB5계 합금은 SmNi5, NaNi5 합금 등을 기본으로 하여 개발되었으며, 최근에는 고가의 희토류원소인 La를 가격이 싼 Mm(misch metal, 희토류원소의 혼합물)으로 치환한 MmNi5가 사용중이다. AB2계 합금은 TiMn2, ZrMn2, ZrFe2, ZrV2, TiCr2 등의 hcp구조의 MgZn2(C14)형 또는 fcc구조의 MgCu2(C15)형의 Laves상 합금을 기본으로 한다. AB2계 합금에서 A원소로는 Zr이나 Ti가 사용되고 B원소로는 Ni, V, Mn, Cr, Al 등이 사용된다. AB2계 합금중 상용화에 가장 근접해 있는 합금은 미국의 OBC(Ovonic Battery Company)에 의하여 개발된 Zr-Ti-V-Ni계 합금으로서 C14 Laves 상을 주로 하는 다상합금이다. AB2계 합금은 Mg2Ni등을 기본으로 하며 수소저장용량이 매우 크나, 수소화반응온도가 250℃이상으로 높고 수소화반응속도가 느린 단점이 있다. 최근에 Ball-Mill을 통해 합금을 nano-phase 및 amorphous로 상변화시킴으로써 보다 낮은 온도에서 수소저장이 가능한 Mg계 합금 개발이 진행되고 있다. AB계 합금은 FeTi, TiNi 등을 기본으로 하는 수소저장합금으로서 상온에서의 평 형수소압력이 높다. 최근에는 수소와 친화력이 큰 원소(Na, V 등)를 이용한 새로운 수소저장합금도 연구되고 있다. 수소저장합금과 수소와의 매우빠른 가역적인 반응은 수소 저장장치에 응용되고 있으며, 수소화반응시에 발생하는 반응열을 이용하여, 에너지변환분야(축열장치, 히트펌프, 냉.난방장치, 냉동시스템 등)에도 응용이 가능하다. 온도에 따른 수소평형압력의 변화를 이용한 동력변환시스템, 전기화학반응을 이용한 니켈-수소화물 2차 전지 등으로도 활용이 가능하다.(8) 탄소나노재료를 이용한 수소저장기술탄소나노재료에 수소를 저장하는 방법은 수∼수십 H wt%이상의 수소를 저장하는 것으로 보고되어 기존의 수소저장합금보다 월등히 높은 수소저장능력을 가지고 있을 뿐만 아니라 안전성과 경제성 면에서도 획기적인 수소저장방법으로 주목을 받고 있다. 또한 다양한 측면에서 탄소나노재료 의 수소저장 특성을 고려해 볼 때 연료전지, 니켈-수소 2차 전지, 커패시터(capacitor) 등에 응용할 수 있을 뿐만 아니라 미래의 무공해 에너지원으로 주목받고 있는 수소에너지의 저장용기 및 정제시스템으로서의 활용이 가능하다. 탄소나노튜브에 수소를 저장하는 방법으로는 온도의 상승,하강으로 수소를 저장하는 열적 수소저장방법과 전류를 충전쪾방전함으로서 탄소나노튜브에서 수소를 삽입,탈리하는 전기화학적 수소저장방법이 있어기체수소저장 뿐만 아니라 고용량 2차 전지의 재료로도 중요하게 이용될 수 있다.향후 추진계획수소에너지는 이용측면에서 그동안 우주개발 또는 군사용 등의 특수분야에 한정되어왔으나, 최근 무공해 동력원 개발과 함께 민수용으로 범위가 확대되고 있으며 기후변화협약에 의한 이산화탄소 저감대책의 일환으로 수소 이용은 향후 더 증대될 것으로 판단된다. 현재의 에너지 수급 및 수소 제조기술 미흡 문제로 아직은 수소가 화석연료보다 훨씬 고가이나 수소 제조기술분야에서 원천기술 개발 및 화석연료의 공급 부족, 청정에너지 필요성 등으로 21세기 중반쯤에는 경제성이 확보될 것으로 예측되고 있다. 지구환경 보존과 에너지원의 효율적인 이용을 위하여 고효율의 환경친화적 청정에너지 기술개발이 시급하며, 이에 적합한 미래의 에너지 매체로 우수한 특성을 가지고 있는 신에너지 관련 기술개발이 필요하다. 이에 따라 환경 파괴 및 화석에너지 고갈에 대한 궁극적인 해결책으로 수소에너지의 중요성이 증대되고 있으며, 수소에너지 기술확보는 미래 21세기 에너지안보 및 국가경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 될 것이다. 수소에너지 기술은 수소의 제조, 저장, 수송 및 이용방법에 이르기까지 많은 분야의 기술이 종합적으로 연관되어 있으며, 아직까지 경제성이 확보되지않은 기술들이 대부분이어서 일반 산업체의 참여가 제한되고 있다. 더욱 이 선진국과의 기술격차도 상당히 크므로 기존의 개발기술을 우선적으로 받아들이기도 어려운 형편이다. 수소의 경제성은 단기간 내에는 실현되기 어려울 전망이나 에너지의 97%를 수입에 의존하는 우리나라 현실로 볼 때, 수소에너지 기술개발이 주는 파급효과가 막대하다. 수소 관련기술은 기계, 금속, 화학, 화공 다방면으로 그 폭이 매우 넓으며 장기간이 소요되는 기술분야인 만큼 체계적이고 장기적인 안목의 투자와 일관성 있는 정책의 수립이 선결되어야 한다. < Energy News >