총 설
나노구조물질을 이용한 고체수소저장 기술 동향 Renju Zacharia·김근영·남기석†
전북대학교화학공학과
561-756
전북전주시덕진구덕진동1
가664-14 (2005
년7
월12
일접수, 2005
년8
월10
일채택)
Advances in the Technology of Solid State Hydrogen Storage Methods Using Novel Nanostructured Materials
Renju Zacharia, Keun Young Kim and Kee Suk Nahm†
National Nanotechnology Integration Center and School of Chemical Engineering and Technology, Chonbuk National University, 664-14, 1 Ga, Duckjin-dong, Duckjin-gu, Jeonju, Jeonbuk 561-756, Korea
(Received 12 July 2005; accepted 10 August 2005)
요 약
수소저장기술은수소경제를달성하기위해개발해야할핵심요소기술이다
.
이논문에서는고체수소저장기술의최신 개발동향을 고찰하였다.
나노구조탄소계 물질(nanostructured carbon materials),
유기금속구조물(metal organic framework, MOFs),
금속수소화물(metal hydrides),
클래스레이트수화물(clathrate hydrates),
금속착수소화물(complex
chemical hydrides)
과같은고체수소저장매체를중점적으로고찰하였다.
그결과지금까지개발된고체수소저장재료의수소저장용량은고체의표면적에비례하여증가함을알수있었다
.
또한수송용탑재형수소저장응용을목적으로안 전하면서도가역적고밀도수소저장이가능한기능성신나노재료의개발방향을제시하였다.
Abstract −
This article provides a panoramic overview of the state-of-the-art technologies in the field of solid-state hydrogen storage methods. The emerging solid-state hydrogen storage techniques, such as nanostructured carbon mate- rials, metal organic framework (MOFs), metal and inter-metal hydrides, clathrate hydrates, complex chemical hydride are discussed. The hydrogen storage capacity of the solid-sate hydrogen storage materials increases in proportion to the surface area of the solid materials. Also, it is believed that new functional nanostructured materials will offer far-reach- ing solutions to the development of on-board hydrogen storage system for the application of the transportation vehicles.
Key words: Renewable Energy, Hydrogen, Nanostructure Materials, Clathrates, Metal Organic Frame Works, Metal Hydrides, Solid-state Hydrogen Storage, Greenhouse Gases
1. 서 론
올해들어기후환경협약이실질적으로가동되고
,
또한오일유가 가매일최고가를갱신하면서석유를대체할수있는신에너지의 개발이절실해졌다.
현재에너지수요를충족시키기위해인류가사 용하고있는에너지원은재생불가능한화석에너지이다.
산업화가 가속화되면서재생불가능한화석연료의사용량은엄청나게증가하 여고갈의위기에처해있으며,
연소과정에서부산되는유해물질 은환경과자연생태계의파괴를초래할것으로예측된다[1].
과학 자로부터일반인에이르기까지모든사람들이이러한어려운문제 를잘인지하고유해물질의배출이없으면서도지속적으로공급이 가능한신재생에너지원의개발에주력하고있다[2, 3].
수소는이목적에가장부합되는미래의에너지원이다
.
수소는지구상어디에나풍부히존재하는물로부터지속적으로 제조할수있어서그원료가고갈될염려가없으며
,
연소하면공해 물질은거의배출하지않고다시물을생산하는청정에너지이다[4, 5].
그러나수소를에너지원으로사용하는수소에너지경제가실현되기 위해서는수소의제조
,
저장,
운송등극복해야할기술적과제가아직산적해있다
[6-8].
그중에서도수소저장은수소에너지이용을현실화하는데가장중요한기술이다
[9].
특히화석연료의고갈이앞당 겨질것으로예견되는현시점에서구조적으로화석에너지에전적 으로의존할수밖에없는자동차나항공기와같은수송용운반체의 경우탑재형수소저장기술개발은가장우선적으로해결해야할기술이다
[10, 11].
수소를수송용자동차의연료로사용하기위한필수조건은수소를고밀도로저장하여야하며
,
수소의저장과방출속 도가빨라야한다.
그러나아직까지는이조건을만족하는수소저†
To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
장기술은압축기체수소저장
(compressed gas hydrogen storage)
과액 체수소저장(liquid hydrogen storage)
이라고할수있으나,
안전성관 점에서이두저장방법은기술적으로해결해야할문제점이아직많 이있다.
최근에는안전하면서도가역적으로고밀도수소저장이가 능한수소저장매체의개발이연료전지실용화기술개발과함께활 발히진행되고있다.
특히탄소나노튜브(carbon nanotubes, CNTs),
유 기금속구조물(metal-organic frameworks, MOFs),
금속수소화물(metal hydrides),
금속착수소화물(complex chemical hydrides),
클래스 레이트수화물(clathrate hydrates)
등새로운나노구조물질이수송용 에가장적합한탑재형수소저장매체로평가되어최근에활발히연구개발되고있다
[12-15].
아직은이들재료의수소저장/
방출특성에관한연구가초보단계이지만장기적으로수송용수소저장기술을 해결해줄것으로예상되어국내외적으로많은관심을끌고있다
.
이논문에서는위에서언급한수소저장매체를중심으로고체수소 저장기술개발현황을고찰하고향후기술개발방향을논의하였다
.
먼저기존화석연료의문제점을점검하고수소에너지경제로전환의 필요성을제시하였다
.
수송용응용을위해개발하여야할수소저장 기술의개발목표를고찰하였다.
끝으로대표적인고상수소저장기 술을심도있게검토하고향후수송용탑재수소저장재료의개발 방향을제시하였다.
2. 수소에너지경제의 필요성
화석연료는인류에게가장중요한에너지원으로크게석유
,
천연가스
,
석탄으로분류된다[16].
화석연료는재생이불가능한에너지형태로
,
인구증가,
산업발전,
생활수준이향상되면서세계적으로그 수요가엄청나게증가하고있다.
또한화석연료는특정지역에매 장량이집중되어궁극적인에너지자원으로그역할을다하기는어렵다
. Fig. 1
은화석연료의불균형적인생산과소비형태를잘나타내고있다
[7, 16].
개발도상국들의경제성장속도가빠르게진행되면서에너지소비 가급속히증가되어국제석유가의급등은당분간피할길이없게 되었다
.
현재보유한화석연료중석유의경우최대40
년,
천연가스는
60
년,
비교적풍부한석탄은앞으로164
년정도지나면고갈될것으로평가되고있다
[7, 15].
이처럼에너지소비는증가하고매장량은감소하여화석연료를기반으로하는경제시스템이한계에도 달하여에너지의안전한공급을위해서는재생가능한에너지경제 로의전환을과감히시도하여야한다
.
화석연료의사용으로인해인류가직면하고있는또하나의문제 는화석연료가연소하면서발생하는유해가스가환경을크게오염 시키고있으며
CO
2 배출에기인한온실효과로지구의온도가상승하여생태계의파괴를초래하고있다
[17, 18]. CO
2의배출량을두드러지게증가시키는산업분야는
Fig. 2
에보인바와같이수송,
생산,
전력산업
[19, 20]
분야인데,
수송분야산업이전체온실가스배출량의
70
%이상을차지하고있으며현재경트럭과승용차가소모되 는화석연료의많은부분을차지하고있다(Fig. 3[22]).
이러한불균 형은2025
년까지지속될전망이다.
수송산업의연료를재생가능한청정에너지로대체하면에너지 효율을높일수있으며
,
온실효과가스의발생도크게감소시킬수 있다.
교토기후협약의정서의서명은
CO
2와기타온실가스의감축의 계기를마련하여지구환경변화를예방하고친환경에너지경제시스템을구축하게하였다
[23, 24].
재생가능한에너지원사용은내연Fig. 1. The global variation in the production and consumption of fos- sil fuels. All fuels are converted into the units of million tones of oil equivalent (Mtoe). The production and consumption between 2003 and 2040 are predicted based on past data [7].
Fig. 2. The contribution of various sectors to the emission of green- house gases(
%) in U.S.[21]. It can be seen that the transporta- tion sector contributes significantly to increased emission of oxides of carbon and nitrogen, and VOCs.
Fig. 3. The relative proportions of fossil-fuel use in U.S. by different
transportation modes projected to year 2025 [22]. It is evi-
dent that the light trucks and cars that are predominantly
used for private conveyance use considerable proportion of
the fuels.
기관의에너지효율을크게향상시킨다
.
예로기존의화석연료를사 용하면내연기관이평균35
%의에너지효율을보이는반면재생가 능한에너지원을이용할경우85
%의높은효율을얻는다[25].
가솔 린을이용한차량의내연엔진의경우연료를연소하여기계적인힘 을얻는데변환효율이30
%에도미치지못하는반면,
재생가능한 에너지원을이용한수소연료전지를통해동력을얻는자동차의경 우60
%이상의변환효율을얻을수있다[26, 27].
위에서언급한경제적
,
환경적요인때문에화석연료를기반으로 한현재의에너지경제시스템은재생가능한연료를기반으로한 에너지경제시스템으로과감히전환되어야한다.
수소경제야말로미 래의에너지경제를이끌어갈가장적합한에너지체계이다.
수소경 제로전환하기위해서는수소의제조와저장기술의발전이반드시 수반되어야한다.
3. 수소저장기술
수소는무색
,
무취,
무미,
무독성의가연성기체로서단위질량당 에너지밀도가매우큰특성을지니고있다.
수소는우주전체에존 재하는가장풍부한원소(
질량퍼센트로약75
%)
이지만높은반응 성때문에일반적으로순수한수소의형태로존재하지는않는다.
그 러나수소를수송분야의에너지원으로사용하기위해서는수소의물리적상태의변환이필요하다
(Fig. 4).
수소는−
262
oC
이하의온도에서70.6 kg/m
3의밀도를가진고체 상태로존재하고, 0
oC
이상1 bar
상태에서는0.089 kg/m
3의밀도 의가스상태로 존재한다.
수소는3
중점(triple point)
과임계점(critical point)
사이의작은영역에서밀도가70.8 kg/m
3(
−253
oC)
인 액체상태로존재한다(Fig. 4
에서검정색영역으로표시).
상압조건 에서수소는Van der Waals
상태방정식의거동을따른다.
수소가갖 는에너지로서의특성은수소의물리적상태에크게의존한다.
상 태도에따르면수소를기체로저장하면수소분자들이용기안에일 정한형태를유지하지않고임의적으로채워져저장된다.
따라서가한압력에따라수소의저장량은증가하며
700 bar
정도의압력에서는약
10 wt
%의수소가저장되는것으로알려져있다.
그러나고압을견뎌주는용기재질의개발과실제이용에는위험성이항상뒤
따른다는문제점이있다
.
수소를액상으로저장하는경우는수소분 자들이응축이되어액체상태로용기안에저장되는데수소를액체 로유지하기위해극저온을필요로하며이용시액체수소의증발 에의한손실이크다는단점이있다.
수소를수송용에이용할때는 대부분이고압기체저장과액체저장을혼용한고압액체수소저장방 법을택하고있다.
수소를수송부문의연료로사용할수있는지는 두 가지인자,
즉 비에너지(specific energy)
와에너지밀도(energy
density)
에의해결정된다.
비에너지는연료에함유된알짜에너지(net energy)
로서연료의단위질량당에너지이며연료공급시간을결정한다
.
에너지밀도는알짜에너지/
연료의단위부피(kWh/m
3)
로 표현하며연료저장시스템부피는수소의에너지밀도에의해좌우된 다.
상온,
상압조건에서수소의에너지밀도는화석연료의1/10
수준으로낮다
[29].
이러한관점에서고압수소기체저장이나액체수소저장기술은수송용응용에적합한수소저장기술이아니며
,
그외의 수소를고밀도로저장할수있는기술이개발되어야한다.
이를위 해서는수소기체저장이나액체수소저장의한계를피할수있는저장기술의개발이필요하다
.
그방법은Fig. 5
에서보인수소저장메커니즘에서잘예측할수있는바와같이높은표면적을갖는고체 저장재료에흡착의수단으로저장하거나
,
고체저장재료의격자사 이에저장하는기술,
혹은고체저장재료와화학반응을통해저장되 는방법들이있다.
현재까지개발된이부류에속한수소저장매체 들의수소저장밀도는Fig. 6
에잘나타나있다.
4. 수송용 수소저장기술 개발 목표
수소를수송용연료로사용할때수소저장용량의목표치는나라 마다다소다르다
.
예를들면,
미국의경우일반적인2,000 kg
인승 용차의주행거리인600-700 km
를기준으로수소저장의기술개발목표를삼는반면
,
유럽과일본의경우는1,000 kg
의차량을기준으로기술개발의목표치를설정하고있다
[32].
미국에서는기술개발 에에너지성(DOE)
과자동차연구를위한US
의회(US Council for Automobile Research)
의파트너쉽인FreedomCAR
프로젝트가제안 한 기술기준을사용하고있다[33].
일본은world-energy network
(WE-NET)
가추천한기술기준을사용하고있다[34].
실제응용을위Fig. 4. The primitive phase diagram of hydrogen. Figure adapted
from [28]. Fig. 5. Schematic model of hydrogen adsorption on various materi-
als [30].
해필요한중요한수소저장기술요소들은비에너지
,
에너지밀도,
수 소방출온도,
수명,
충전시간이다. FreedomCAR, WE-NET, IEA (International Energy Agency)
가제시한2010
년에달성해야할수 소저장목표를Table 1
에서비교하였다[32]. Table 1
에서알수있듯이
FreedomCAR
프로젝트에서가장높은목표치를설정하고있다.
Table 2
에서알수있듯이2010
년비에너지목표치는2 kWh/kg
이다
[35].
비에너지는최대시스템질량당알짜이용에너지로부터계산한다
.
저장매체와함께수소의비에너지는중량저장용량으로쉽 게표현하고목표치는6.5 wt
%(2 kWh/kg)
에해당한다[33].
비에너지측정시시스템중량에는연료공급인프라와관련된하 드웨어의중량도포함되어있다
.
새로운저장재료를개발할때기준이되는척도는
Table 1
과Table 2
에보인FreedomCAR
가제안 한목표를만족하는지를항상검토하여야한다.
마이크로
/
나노다공성고체재료가지난수년간새로운수소저장매체로많은관심을끌고있다
[13-14, 18].
그중에서도집중적으로연구개발되고있는재료는탄소나노튜브
(carbon nanotubes, CNTs),
유기금속구조물
(metal-organic frameworks, MOFs),
금속수소화물(metal hydrides),
금속착수소화물(complex chemical hydrides),
클래 스레이트수화물(clathrate hydrates),
제올라이트(zeolites)
등새로운 나노구조물질이다.
이물질들의공통적인특징은매우큰비표면 적을갖고있어수소가화학/
물리흡착할수있는많은미세기공을 가졌다는점이다.
이물질들은높은에너지밀도로인해이동형연 료전지산업에서매우중요하게고려하고있는수소저장재료이다.
다음에는이러한새로운고체수소저장물질의수소저장특성에대 하여논의하겠다
.
물론이들다공성물질의수소저장거동에대한 연구는아직초기단계수준이다.
그래서물질들의수소저장특성은FreedomCAR
프로젝트에서제안하고있는목표즉,
중량및체적수소저장용량을기준으로두고논한다
.
이러한물질들이높은중량/
체적수소저장용량을보인다면정지형대량에너지저장분야에서실 질적으로쓰일수있을것이다
.
5. 고체수소저장기술
5-1.
금속/
금속간수소화물(metal/inter-metal hydrides)
금속과금속간합금이
250-650 K
의온도범위에서가역적으로수소와반응한다는것은이미
1960
년대에발표되었다[36]. 2
족원소 들과전이금속은일반적으로수소화물을형성하는금속인반면에란탄족및악티늄계열원소
, Ti, V
그룹원소들은금속간합금을형성하는것으로알려져있다
[36].
전이금속의2
상수소화물은금속성질을띄고있으며일반적으로금속수소화물이라명명한다
.
금속 수소화물의조성은일반적으로MH
x로표현하고압력과온도에따라다양한상을형성한다
[37].
금속간수소화물에속한금속수소화물중에가장잘알려져있는수소화물은
AB
nH
x조성으로표시되는 금속간수소화물이다.
이조성식에서원소A
는희토류금속,
알칼리 토류금속,
마그네슘(Mg)
으로안정한2
상수소화물을형성하는금속 이며,
원소B
는일반적으로전이금속혹은알루미늄(Al)
으로안정 한수소화물은형성하지는않지만H
2분자를해리시키는것을도와 주는금속이다.
전형적인예로B
는Ni, Co, Cr, Fe, Mn
등의전이금속이다
[37].
금속수소화물의가장관심을끈특성중의하나는수소저장체적밀도가극히높다는것이다
.
예로LaNi
5경우체적밀도 가115 kg/m
3에달한다[28].
금속/
금속간수소화물의수소흡/
탈착 거동은압력-
조성-
온도(pressure-composition-temperature, PCT)
곡 선을이용하여알수가있으며최대/
유효수소저장용량도얻을수 있다.
금속간합금과수소가반응하여수소화물을형성하는반응식은다음으로나타낸다
[36].
여기서∆
Q
는van’t Hoff plots
을이용하여실험적으로얻어진흡착 엔탈피이다. Fig. 7
은다양한금속수소화물의van’t Hoff plots
결 과를보여준다[38].
비록금속간수소화물이높은수소저장량즉
, H/M
값이1
보다크AB
n+ xH
2⇔AB
nH
2x+
∆Q Table 1. Technical benchmarks and selection criteria for on-board
hydrogen storage system proposed by different national and international organizations [32]
Storage parameter DOE WE-NET IEA
Gravimetric capacity (wt
%) Volumetric capacity (kg H
2/m
3) Desorption temperature (
oC) Cycle life (number) Refueling time (min)
6.5 6.2 NA 500
5
>3
<100 NA
>5000 NA
NA 5
<100 NA NA
Table 2. R&D targets for on-board hydrogen storage system for years 2010 and 2015. Based on the data from [33]
Storage parameter 2010 2015
Gravimetric capacity (kWh/kg) Volumetric capacity (kWh/L) Storage system cost ($/kg H
2) Fuel cost ($/gallon gas equivalent) Min. and Max. operation temperature (
oC) Cycle life (number)
Transient response time (s) Safety
1.5 2 1.5 4
−
30/85 1000 0.75 Meets applicable
standard
2.7 3 1.5 2
−
40/85 1500 0.5 Meets applicable
standard Fig. 6. Stored hydrogen by volume and by mass. The graph shows
volumetric hydrogen density
ρvversus gravimetric hydrogen density
ρmfor various materials to store hydrogen by bulk absorption, surface adsorption, or compound formation; dec. is the decomposition temperature, m.p. is melting point, and b.p.
is boiling point. The container is not taken into account [31].
게나타내지만전이금속이나란타늄계원소의중량이높기때문에 일반적으로
1-2 wt
%의낮은중량수소저장용량을보인다.
반대로Mg
을포함한2
상금속수소화물은3.3-7.7 wt
%의높은수소저장량 을보이고있다.
수송용응용의수소저장매체로사용하고자하는금 속/
금속간수소화물의경우는수소화물이1-10 bar
의압력범위와270-360 K
의온도범위에서수소를방출하여야한다.
이런관점에서Mg
수소화물이나ZrNi, ZrMn
2와같은금속간수소화물은높은수 소저장용량을보이는데도불구하고높은수소탈착온도를요구하 기때문에수송용수소저장매체로적합하지않은것으로여겨져왔 다.
한편대부분의금속간수소화물은1 wt
%의낮은가역수소저장 량을보이기때문에실제수소저장매체로쓰이지않을것으로예측 된다.
수소화물을형성하는
7
가지군의금속간수소화물을Table 3
에그 들의원형및구조와함께수록하였다.
금속수소화물을실제응용 하기위해개발할때는흡/
탈착압력간에생기는hysteresis
때문에 발생하는비효율성,
활성화의용이성,
공기에대한민감성,
흡/
탈착 속도,
안정성등을고려해야한다.
이러한요인들중에서수소의흡/
탈착속도가많은응용에서가장중요한기술적인자가된다
.
이러 한관점에서AB
5형금속간합금이특별히관심을끄는재료이다.
여 기서A
원소의선택적산화는금속A
를표면에서분리하는결과를 초래하며,
표면에서촉매성분으로작용하는B
금속은수소분자의 흡착과해리를증진시키는역할을한다. AB
5형금속간합금의다른 중요한특성은합금을이루고있는성분원소의일부분이나혹은전 부를다른금속으로대치하여작동온도나압력을바꿀수있다는것이다
. PCT
도표에서특정온도에서의평형압력을간단한첨가반응을통해거의
2
배의크기로바꿀수있다.
이영향은Fig. 8
에잘 나타나있는데LiNi
5의중간평형압력을Ni
원소를Sn
원소로부분 치환함으로서거의2
배의크기로변화시킬수있다.
체심입방구조를갖는수소흡착합금은높은수소저장량때문에많 은관심의대상이되고있다
[39].
전형적인예로Ti-V-Mn, Ti-V.Cr, Ti-Cr-(Mo,Ru)
를들수있으며이들의수소저장량은3 wt
%정도된다
.
이물질들은PCT
도표에서2
개의평형압력을보이는데이는2
개의다른수소화물상이형성되고있음을나타낸다[39]. 2
개의평 형압력이상당히차이가나거나평형압력이기울기를보이는금속 간수소화물은실제응용에적합하지않다.
금속
/
금속간수소화물중에서마그네슘(Mg)
에서유도된금속수 소화물은수소저장용량이지금까지알려진어떤금속수소화물보다 도높다.
예를들면마그네슘의2
성분수소화물인MgH
2는이론수 소저장용량이7.6 wt
%에달한다[40].
그러나Mg
와MgH
2의수소 화/
탈수소화반응속도가매우느려서이재료를실제공정에응용 하기는어렵다.
반응속도는300-400
oC
에서어느정도증가하기는 하나여전히수소의가역흡착시간이길다.
그러나열역학적관점에 서마그네슘수소화물의생성은자발적으로일어나는공정이며평 형에서MgH
2와공존하는수소기체의압력은낮다[41].
낮은반응 속도를근본적으로이해함으로서어느정도는이한계를벗어날수 는있다.
깨끗한Mg
표면에서수소화반응속도에제한을주는인 자는여러가지가있다.
깨끗한금속표면에서는수소보다는산소가더빨리흡착되어산화막을형성하여수소의흡착을막는다
[41].
그러나이산화막은수소분위기에서
400
oC
이상의온도로가열하면제거된다
[42].
수소화속도가낮은또다른이유는Mg
표면에서수소분자가서서히해리되기때문이다
.
이런해리장벽은Ni
이나Pd
과같은금속촉매를소량Mg
에첨가함으로서감소시킬수있 다. Mg
에Ni
을첨가하여기계적밀링방법으로합금을형성하면Ni
의조성이
0-50
%까지증가함에따라수소화/
탈수소화반응속도가단조롭게증가한다
[43].
그러나반응속도의증가는MgNi
상의형성
,
표면적의변화및결함밀도의증가등의여러요인에기인할 수있다.
Density functional theory
를이용하여Mg
내에서수소의움직임 을연구하면MgH
2의수소방출속도가수소의낮은확산속도에기Fig. 7. Van’t hoff plots of some matals and intermetal alloys [38].
Table 3. The families of hydride forming intermetallic compound, their prototypes and structure [28]
Intermetallic compound Prototype Structure AB
5AB
2AB
3A
2B
7A
6B
23AB A
2B
LaNi
5ZrMn
2CeNi
3Y
2Ni
7Y
6Fe
23TiFe Mg
2Ni
Haucke phase, Hexagonal Laves phase, Hexagonal, cubic Hexagonal
Hexagonal cubic cubic cubic
Fig. 8. The change in the plateau pressure of LaNi
5with substitution
of Ni with Sn [36].
인함을알수있다
[44].
이확산제어공정에서bulk-to bulk
확산에 해당하는활성화장벽은155 meV
정도된다.
이bulk-to bulk
확산 이낮은활성화장벽을갖는것은상온에서확산속도가2.4×10
10s
−1인 것으로부터알수있다.
한편bulk
에서표면으로수소가확산하는 에너지장벽은500 meV
으로매우크다.
큰에너지장벽은실재로확 산속도를실온에서4×10
4s
−1 정도로감소시켜서Mg
의수소화/
탈수 소화속도를낮춘다.
낮은속도를해결하고자하는연구가많이되 었다.
연구결과에따르면마그네슘의결정크기를나노미터로줄이 면실온에서수소화반응속도를증가시키는데매우효과적이다[45-
47].
나노크기결정마그네슘이수소화반응속도를촉진하는것은그레인경계주변에서수소의확산속도가빨라지기때문으로설명 된다
[48].
금속수소화물에질소가결합된금속
-N-Hx
아마이드(amides)
형태는최근에
Chen
등에의해개발된수소저장재료로수소저장량이5 wt
%이상에도달하는우수한수소저장매체로보고되었다[49].
고상재료중에서금속수소화물은수소용수소저장재료로이용하 기위한기술적연구가상당한수준으로이루어져상업화에가까운 수소저장재료이다
. Daimler-Benz, Toyota, Mazda
와같은많은자동 차생산회사에서는이미금속수소화물을이용한수소저장차량을보유하고있다
[32].
특히실용화를위해수소저장및방출시수반되는열전달연구가활발히진행되고있다
.
최근들어서고압수소기 체저장용기에금속수소화물을결합하여수소의저장용량과안전성 을동시에증가시키는노력을하고있다[30].
5-2.
금속착수소화물(complex chemical hydrides)
Li, Mg, B
등과같은주기율표상의1, 2, 3
족경금속원소들은화 학결합으로수소를저장하는금속착수소화물을형성한다[50, 51].
금속착수소화물은중심원자가
AlHx
인경우알라네이트수소화물(alanate hydrides), BHx
인경우붕소계금속수소화물(metal hydrobirates)
라고명명하기도한다
.
대표적인알라네이트수소화물은NaAlH
4,
LiAlH
4 등이주로연구되고있으며,
붕소계금속수소화물은주로LiBH
4, KBH
4, NaBH
4등이있다.
이러한금속간수소화물들은수소 저장중량밀도와부피밀도가매우높다.
예로Mg
2FeH
6, Al(BH
3)
3등과같은금속착수소화물은수소저장밀도가
150 kg/m
3로가장높 은체적밀도를보인다[9].
마찬가지로LiBH
4는지금까지알려진금 속착수소화물중에서상온에서가장높은체적용량(18 wt
%)
를나타내는물질이다
[9, 52].
금속착수소화물은재료의밀도가낮으며,
높은수소
/
금속비를보이고있어이동형수소저장시스템으로특 히관심을끌고있다.
금속수소화물과는달리금속착수소화물은이 온혹은공유결합특성을보이며수소의방출이착수소화물의급격 한분해로이루어진다.
금속착수소화물의전형적인예는
NaBH
4(sodium borohydride)
이 다.
대부분의금속착수소화물과같이Fig. 10
의(a)
에보인바와같 이사면체구조(tetrahedral structure)
를가지며,
수소는사면체의중 앙에위치한다.
금속착수소화물의급격한수소화
/
탈수소화반응은NaAlH
4금속 착수소화물의분해과정을통행알수있다.
반응은2
단계로진행된 다[51, 53].
각반응단계에서는
3.7, 1.9 wt
%의수소를방출할수있어서이 론적으로는총5.6 wt
%의수소를저장할수있다[53].
반응단계(1)
의수소분해공정은가역적이지만실제응용에알맞는조건에서
반응이일어나지않는다
[51].
그러나최근Ti
과같은금속촉매를사용함으로서적당한조건에서도가역적인반응이일어난다
[38].
핵자 기공명연구(nuclear magnetic resonance study)
를통해Ti
이NaAlH
4의수소화
/
탈수소화반응에서촉매어떤역할을하는지그메커니즘을밝히는연구도최근에활발히진행되고있다
[54].
이들은첨가된
Ti
가수소의운동속도에변화를일으켜가역반응속도를증가시 켰다고주장하였다. Fig. 11
에FreedomCAR
가목표로제안한2010
년과
2015
년금속착수소화물의수소저장중량및체적용량을비교하였다
[55].
그림에서볼수있듯이대부분의금속착수소화물의수소저장중량및부피용량은
FreedomCAR
가제안한2010
년의저장량을초과하고있다
.
결과적으로금속착수소화물은단기적으로매 우매력적인수소저장매체로여겨지고있다.
그러나금속착수소화물은수소방출공정에서높은온도를필요로