SPecial 탄소중립 실현을 위한 수소에너지 기술 개발 및 산업 응용 동향

상온작동 고체수소 저장기술의 개발 동향

서진유_한국과학기술연구원 에너지소재연구센터 책임연구원
심재혁_한국과학기술연구원 에너지소재연구센터 책임연구원
이영수_한국과학기술연구원 에너지소재연구센터 책임연구원
조영환_한국과학기술연구원 에너지소재연구센터 책임연구원
박형기_한국생산기술연구원 기능성소재부품연구그룹 수석연구원
박지혜_현대자동차 그린에너지소재연구팀 책임연구원

1. 서론

수소는 에너지 캐리어(Energy Carrier)이며 수소가 가지고 있는 에너지를 원하는 장소와 시간에 활용하기 위해서는 수소를 운송하고 저장할 수 있어야 한다. 이를 위해 개념적으로 가장 단순하게 생각할 수 있는 방식은 (1) 기체 형태의 수소를 파이프라인을 통해 운송하거나 고압용기에 넣어 운송/저장하는 기체방식이다. 두 번째로 생각할 수 있는 방식은 (2) 수소를 액화시켜 저온(영하 253℃)의 액체수소를 용기에 담아 운송하거나 저장하는 액체방식이다. 기체와 액체수소 방식은 도시가스나 액화천연가스 등 현재의 에너지 캐리어와 개념이 같아 우리에게 친숙하다. 조금 더 복잡한 개념의 수소운송/저장 방식으로는 (3) 수소를 포함하는 액상형태의 화합물이 있고, (4) 고체물질의 표면(흡착, Adsorption) 또는 내부(흡수, Absorption)에 수소를 고체형태로 저장하는 고체수소저장 방식이 있다. 액상화합물 또는 고체수소저장체에서의 수소는 순수한 수소로 존재하는 것이 아니기 때문에 수소를 액상화합물 또는 고체수소 형태로 전환해야 하고 또 반대의 과정이 필요하며, 이러한 과정을 얼마나 쉽고 경제적으로 진행할 수 있느냐가 중요한 요소이다. 따라서 수소의 적절한 운송/저장 방식을 선택하기 위해서는 액상화합물/고체수소저장체와 같이 개념적으로 또 기술적으로 더 복잡해 보이는 방식으로 수소를 운송/저장하는 기술이 왜 필요한지에 대한 고찰이 필요하며, 또 이 방법들이 고압기체나 액체수소의 어떤 점을 보완할 수 있는지에 대한 이해가 필요하다.
  본 글에서는 고체수소저장 방식 중에서 주로 최근에 실증 사례들이 많이 보고되고 있는 수소의 흡방출을 가역적(reversible)으로 잘 수행할 수 있고 또 상온 부근의 온도에서 작동이 가능한 금속계 소재들을 이용한 흡수(Absorption)방식의 고체수소저장기술 즉 금속수소화물 또는 수소저장합금에 대해 소개하고자 한다.
  본 글은 2019년 세라믹코리아 수소경제특집에 게재되었던 고체수소저장 기술 관련 글에서 서론과 금속수소화물 관련 기초 지식 부분은 동일하게 구성하고, 5절 관련기술 동향부터 2019년 이후에 진행된 연구, 실증, 사업화 동향을 새롭게 정리하였다.

그림 1. 다양한 수소저장방식의 무게 및 부피대비 수소저장용량 비교 (그림출처: Andreas Zuttel, Materials for hydrogen storage, Materials Today 6(9) (2003) 24-33)

2. 상온작동 금속계 고체수소저장소재(수소저장합금)의 장단점

그림 1은 다양한 수소저장방식의 무게저장밀도(gravimetric density)와 부피저장밀도(volumetric density)를 비교하는 표이다. 무게저장밀도는 수소를 포함하고 있는 수소저장물질의 무게에서 수소무게의 비율을 나타내며, 부피저장밀도는 수소를 포함하고 있는 수소저장물질의 단위부피당 저장된 수소의 양(무게)을 의미한다. 그림에서 기체수소(pressurized H2Gas)의 경우에는 고압가스용기의 무게까지 함께 고려하여 표시되어 있다. 금속고압용기에 비해 가벼운 탄소복합소재 기술의 발전으로 수소를 800기압(80MPa) 정도로 압축할 경우 약 10wt%(mass%) 내외의 높은 무게저장밀도를 나타낸다. 하지만, 고압으로 압축한 기체수소는 부피가 다른 저장방식에 비해 크다. 즉, 부피저장밀도가 높지 않기 때문에 그림 1에서 기체저장방식은 하단부에 위치하는 것을 볼 수 있다.
  액체수소(H2liq.)의 경우에는 액체수소 컨테이너 설비를 고려하지 않고 액체수소 자체의 무게와 부피로 그림에 표시되어 있다(파란 줄). 액체수소는 보관온도가 영하 253℃ 부근이므로 극저온저장에 필요한 컨테이너 설비의 무게 및 부피를 고려하는 것이 맞지만 이러한 설비의 무게 및 부피를 단순화하여 표시하기는 어렵다. 그림 1에서 기체수소와 액체수소보다 위쪽, 즉 그림의 상단부에는 다양한 저장물질들의 (컨테이너를 고려하지 않은 자체의) 무게 및 부피저장밀도가 표시되어 있다. 이와 함께 다양한 화합물들의 수소반응온도(저장/방출온도)가 함께 표시되어 있다. 이 중에서 상온부근에서 작동하는 수소저장소재는 LaNi5H6와 TiFeH1.7의 두 가지가 표시되어 있다. LaNi5H6와 TiFeH1.7는 부피저장밀도는 약 100kgH2m-3 내외의 값을 가져 우수한 편이지만, 무게저장밀도가 2wt% 이하로 매우 낮다. 낮은 무게저장밀도로 인해 연료전지자동차의 수소탱크와 같은 mobile 용도로는 고려하지 않았었으나, 최근에 정치형(stationary) 에너지 저장의 필요성이 증대됨에 따라 다시 주목을 받고 있다. 즉, 지상에 설치하는 에너지저장 모듈의 경우에는 무게가 작은 것 보다는 부피를 줄이는 것이 더 중요하기 때문이다. 또, mobile 용도의 경우에서도 선박이나 지게차와 같은 일부 특수한 경우에는 연료탱크의 무게보다는 부피가 더 중요한 인자가 되며, 오히려 무게가 더 무거운 것이 운용 측면에서 장점이 될 수도 있으므로, 고체수소저장재료를 사용하여 상용화하거나 실증한 예들이 있다. 고체수소저장 방식의 부피저장밀도 측면에서의 이점을 잘 표현한 그림을 그림 2에 나타내었다.
 

그림 2. 연료전지자동차에 4kg의 수소를 탑재하기 위해 필요한 부피 비교
(왼쪽부터 Mg2NiH4(고체), LaNi5H6(고체), H2(액체), H2(200기압 기체))
(그림출처: Louis Schlapbach 등, Hydrogen-storage materials for mobile applications, Nature 414 (2001) 353-358)

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