수소액화 및 극저온 저장기술

백 종 훈 플로리다 태양에너지센터 연구원ㅣ e-mail : jbaik@fsec.ucf.edu 김 서 영 한국과학기술연구원 책임연구원 ㅣ e-mail : seoykim@kist.re.kr

이 글에서는 수소 연료전지차, 우주개발용 로켓추진체의 연료공급기술로 활용이 예상되는 수소액화 기술 및 영하 253도의 극저온 액체수소의 저장기술에 대해 살펴보고 액화사이클 및 극저온 액화수소 저장용기로의 열침입을 차단 하기 위한 다양한 단열기술에 대해 기술한다.

수소액화기술

액화사이클

수소가스는 상압, 영하 253도에서 액화된다. 이러한 액체수소의 수요는 1960년대 미국 정부주도의 우주프 로그램이 활성화되면서 급증하였으며, 1965년 당시 62 tons/day의 액체수소를 생산, 공급한 기록도 있다. 수소 의 액화용량에 따라 다양한 액화사이클이 사용될 수 있 다. 2 tons/day 정도의 소용량 액화의 경우 줄톰슨 밸브

와 액체질소 예냉기를 사용하기도 하며, 이보다 훨씬 큰 액화용량의 경우에는 그림 1과 같이 터보팽창기와 별도의 액체질소 예냉용 냉동기, 다단의 수소압축기와 다중 열교환기를 장착한 복잡한 형태의 액화사이클이 사용된다. 소용량 수소액화의 경우에는 수소의 액화온 도 이하에서 일정량의 냉동용량을 갖는 상용 극저온 냉 동기(Gifford-McMahon냉동기, 맥동관냉동기, 스털링 냉동기 등)를 저온조(cryostat) 내에 장착하여 액화하고 있다.(그림 2)

그림 1린데 수소액화기 그림 2직냉식 수소액화기(Florida Solar Energy Center, USA)

Ortho-para 수소변환

수소액화에 있어서는 수소의 고유물성인 오토-파라 (ortho-para) 수소변환으로 인하여 추가적인 장치인 오 토-파라 수소변환기가 필요하다. 상온의 수소는 두 개 수소원자의 스핀방향이 같은 오토수소와 스핀방향이 반대인 파라수소의 비율이 75% 대 25%이다. 이러한 비 율의 수소가 액화기 내에서 단시간 내에 20K의 액체로 변환되어 저장탱크 내에 저장되면 20K 액체수소상태의 평형비인 약 99.8% 파라수소로 서서히 변화하면서, 액 체수소의 증발잠열보다 큰 변환열이 발생한다. 이 변환 열은 이미 액화된 수소를 저장탱크 내에서 서서히 증발

시켜 기체 상태로 변화시키므로, 액화과정에서 반드시 촉매를 이용하여 파라수소로 변환시켜 변환열을 회수 하여야 한다. 변환촉매에는 아이언옥사이드(iron oxide)나 니켈실리케이트(nickel silicate) 계열의 촉매 가 사용된다.

액체수소 저장

극저온상태의 액체수소를 저장하는 용기는 사용목적 과 저장기간 등의 요인에 따라 그림 3과 같은 다양한 디 자인과 크기가 존재한다. 수소승용차용으로 연구개발

그림 3액화수소저장용기 사례 - 린데 액화수소 저장탱크, 크라이오팹사 액화수소탱크, NASA 스페이스셔틀 액화수소탱크, NASA KSC 액화수소저장탱크

단계에 있는 Linde LH2 tank, 소형 액체수소 저장탱크, 우주왕복선용 액체수소탱크, 우주왕복선 외부탱크용 지상저장탱크 등 다양한 형태와 크기의 저장탱크들이 그 저장목적에 부합하도록 설계 제작되어진다. 이러한 다양한 종류의 액체수소 저장탱크는 공히 극저온액체 의 특성상 상온으로부터 큰 열유입이 존재하며, 이러한 열유입은 저장탱크의 성능과 안전에 직결되므로 설계 와 제작 시 중요 고려대상이 된다.

극저온 저장용기로의 열침입

상온으로부터 극저온 액체를 저장하고 있는 탱크 내 로 유입되는 열유입의 종류와 경로는 일반 열전달의 형 태인 전도, 대류 및 복사로 분류할 수 있다. 전도 열손 실은 주로 극저온액체가 저장되는 탱크의 벽(wall)이 물리적으로 상온과 연결되어 있는 탱크 목(neck wall), 탱크 지지대(support)와 극저온액체를 전송하기 위한 배출관(drain line), 센서연결선 등에서 발생한다. 특히 탱크벽은 충분한 강도를 유지하기 위하여 스테인리스 스틸이나 알루미늄 합금 등 열전도도가 여타 단열재에 비교하여 상대적으로 큰 금속을 사용하게 된다. 이러한 금속 벽을 통한 열유입은 전체 열유입의 상당부분을 차 지하므로 이를 최소화하는 설계가 매우 중요하다. 저장 탱크 표면에 주름진 표면을 삽입하여 얇은 벽두께로 인

한 설계압력의 감소를 보완하고, 비금속, 저 열전도도 물질(예: reinforced fiber glass epoxy resin, G-10 CR)과 이종 접합하는 다양한 기술을 통하여 열전도 손실을 최 소화하고 있다.

대류 열손실은 그림 4에서와 같이, 탱크 내부의 극저 온 액체가 외부 열유입에 의하여 탱크 벽 측에서 자연 대류 현상으로 인한 액체의 유동이 발생하고, 액체영역 상단으로 이동된 액체는 기체와의 경계면에서 액체-기 체 사이의 증발이 일어나며, 증발된 찬 기체는 다시 외 부 열유입에 의하여 탱크 상단의 목부분으로 자연대류 하면서 추가적 증발손실이 발생한다.

복사 열유입은 극저온 액체를 저장하고 있는 내부공 간 또는 탱크 외벽이 상온으로 유지되는 구조표면에 노 출되어 발생한다. 탱크의 목부근벽을 통한 열유입은 복 사열을 최대로 반사할 수 있는 재질을 이용하여 배플 (baffle) 형태로 다단으로 제작함으로써 최소화할 수 있 다. 탱크 외벽으로의 복사 열유입은 방사율(emissivity) 이 매우 낮은 다층 단열재를 장착하여 최소화하고 있 다.

이러한 열유입은 대개 단일한 형태의 열전달이 아닌 복합적인 형태의 열전달로 동시에 발생되며, 이러한 복 합 열유입을 최소화하려는 단열기술도 복합적인 형태 를 띄며 개발되고 있다.

그림 4극저온 저장용기 내의 자연대류 손실

진공단열

진공단열(vacuum insulation)은 극저온 액체를 저장 하는 내부용기와 상온에 노출된 외부용기를 일정한 공 간을 사이에 두고 이중용기로 제작하고, 그 사이 공간에 위치한 기체를 제거하여 인위적인 진공을 생성함으로써 대류열전달의 형태로 전달되는 외부로부터의 열유입을 차단하는 기술이다. 모든 극저온 액체용 저장탱크는 진 공단열 기술을 기본으로 장착하고 있으며 통상적으로 10

Torr 이하의 고진공이 사용된다. 이를 위하여 기계식 펌프, 터보 몰레큘러 펌프, 이온펌프, 디퓨전 펌프, 크라 이오펌프 등이 펌프용량과 진공

도에 따라 다양하게 사용된다.

다층단열재

보통 MLI로 불리는 다층단열 재(multi layer insulation)는 방 사율(emissivity)이 매우 낮은 금 속을 얇은 polymer sheet위에 박막처리한 형태로 제작된다.

두께 5-76 μm 두께의 Mylar나 Kapton 필름 위에 1x10

m두께 의 고반사율을 가진 물질(예: 알

루미늄)을 단면 혹은 양면 코팅하여 복사열전달을 최소 화한다. 복사단열하고자 하는 저장용기 표면에 여러 겹 으로 겹쳐 장착하고, 각 겹 사이에 전도열전달을 최소 화할 수 있는 스페이서(silica fiber, fiberglass mat or paper 등)를 위치시키고 고진공을 사용하여 각 겹 사이 의 기체를 제거하여 사용한다(그림 5). MLI의 최대 단 열효과는 진공도 약 1x10

Torr 이하에서 약 20-30 Layers/cm의 밀도로 장착될 경우 최대 성능을 보이는 것으로 보고되고 있다. 이를 여타 단열재의 열전도도로 환산한 열전도도(apparent thermal conductivity) 값은 0.3~0.6 μW/cm-K을 갖는다.

증기냉각 복사차단막 및 히트스테이션

저온 증기(cold vapor)는 다양한 경로를 통하여 탱크 외부로부터 유입되는 열유입으로 인하여 증발되는 극 저온 기체를 일컫는다. 이 저온증기의 냉열을 이용하여 외부로부터 유입되는 복사 및 전도 열손실을 최소화할 수 있다. 증기냉각 복사차단막(vapor-cooled radiation shield)은 그림 6과 같이 증발된 저온증기를 탱크 내부 압력유지를 목적으로 탱크 외부로 배출하기 전에 내부 저장용기를 둘러싸고 있는 얇은 복사차단막의 표면을 냉각하게 함으로써 내부용기로 유입되는 복사열전달을 최소화할 수 있다.

그림 5다층단열재

그림 6증기냉각 복사차단막(KIST)

또한 그림 7의 히트스테이션(heat station)은 탱크 내 부에서 발생하는 저온증기를 이용하여 탱크 목이나 액 체전송관을 냉각시켜 전도열손실을 최소화하는 구조이 다. 코일이나 원판 등의 형태로 제작되며, 저온증기와 열교환시켜 등온으로 유지되는 히트싱크 구조로 제작 하고 이를 탱크 목부근 벽이나 다층단열재 지지체, 복 사차단막 등에 연결하여 전도 및 복사열유입을 동시에 감소시키도록 설계된다.

증기냉각 배플

그림 8과 같은 배플은 대개 극저온 액체 저장탱크의 탱크 목 부분 내부에 위치하며 탱크 목 부분의 형상에 맞추어 다단으로 제작된다. 사용재질로는 은코팅구리, 골드코팅구리 등의 재질이 많이 사용된다. 상온으로부 터 유입되는 복사열이 배픔 각 표면에 의해 반사되어 최종적으로 내부로의 복사열유입 감소하게 되고, 동시 에 저온증기로부터 냉각된 다단의 배플들은 복사열유 입을 최소화하는 데 큰 역할을 한다.

지지체

지지체(Support)는 극저온 액체를 저장하는 탱크의 자중과 저장된 액체의 무게를 안정적으로 지탱할 수 있 는 구조를 일컫는다. 대기압 20 K의 액체수소의 경우 그 무게는 100 리터당 약 7 kg 정도이다. 탱크 지지체는 저장된 액체를 포함하여 저장탱크의 무게

를 지탱함과 동시에 외부로부터의 열유입 을 최소화할 수 있도록 설계되어야 한다.

따라서 사용되는 재질의 강도와 열전도도 가 중요하게 되며, 진공환경과 극저온환경 과의 호환성 등을 모두 고려한 재질 선택이 중요하다. 그림 9에 나타낸 바와 같이 많이 사용되는 구조로는 열전도 길이를 길게 하 여 전도열전달을 최소화하는 방법을 기본 으로 하여 고 인장강도의 케이블, 봉, 압축 튜브 등을 사용한 구조가 많이 채택되고 있

그림 7극저온 저장용기 목부분에 설치된 히트스테이션

그림 8금속디스크형 증기냉각 배플

그림 9극저온 저장용기 지지체 구조 및 강도/열전도 비율

으며, 사용 재질로는 강도/열전도도 비가 높은 물질이 선택된다. 그 중에서 다콘화이버(Darcon fiber)와 켈에 프(Kel F), 마일러(Mylar), 유리섬유레진(fiberglass resin) 등이 실제 저장탱크 제작에 많이 사용되고 있다.

맺음말

이 글에서는 미래 수소경제사회 및 우주발사체 기술 분야에서 핵심기술로 연구개발되고 있는 수소액화 기 술 및 극저온 액체수소 저장기술에 대하여 살펴보았다.

수소액화에 필요한 에너지를 감소시키기 위한 다양한 액화사이클에 대한 연구가 진행되고 있으며, 극저온 액 체수소의 증발손실률을 낮추기 위한 고성능 복합 단열 기술 및 재액화기술에 대한 연구개발이 지속적으로 진 행되고 있다. 국내에서도 나로호의 발사와 함께 우주개 발에 대한 기대감이 커지고 있는 시점에서, 연료 무게 당 추진력이 기존 케로신 연료 추진체에 비해 우수한 액체수소연료 우주추진체 기술에 대한 관심이 높아지 고 있다.

기계용어해설

지압계(Indicator)

내연기관, 공기압축기 등에서 실린더 내의 압력이 피스톤 의 이동에 따라 변하는 모양을 그래프로 나타내는 기기.

간접 측정(Indirect Measurement)

측정량과 일정한 관계에 있는 양을 측정한 후 그 값을 계 산 또는 환산표로 산출하여 측정값을 알아내는 방식.

간접 전동(間接傳動: Indirect Transmission)

서로 떨어져 있는 원동절과 종동절에 벨트, 로프, 체인 등 으로 동력이나 운동을 전달하는 방식.

유도<인>통풍(誘導<引>通風: Induced Draft)

화격자 사이에서 공기를 흡출하여, 연료가 연소하는 데 필요한 바람을 보일러나 노에 보내는 방식.

라우에 반점(Laue’s spot)

단결정의 작은 조각에 금속판의 세공을 통한 연속 X선을 비쳤을 때, 수cm 떨어진 위치의 사진건판 위에 나타나는 흑점.

인출선(引出線: Leader Line)

제도에서 치수, 기호, 가공법 등을 그림으로 나타내기 위 하여 해당 장소에서 수평 방향으로 60°정도 경사진 직선.

수준기<의>(水準器<儀>: Level)

시준선을 수평으로 하고 목표의 위치에 세운 후 표준척의 길이를 읽으면서 2점 사이의 고저차를 측정하는 계량기 계.

레벨, 수준기(水準器: Level Vial)

유리관 속에 알코올 또는 에테르 등을 넣고 약간의 기포 를 남겨 놓아 기포의 위치로 수평을 재는 기계.

레벨링 블록(Levelling Block)

나사를 돌리면 쐐기형의 블록이 이동하여 높이를 조정할 수 있도록 만들어 기계의 설치나 공작품의 체결에 쓰이는 블록.

피뢰기(避雷器: Lightning Arrester)

전압을 강하시키기 위하여 전류를 재빨리 대지로 방류시 키고 작동이 종료하면 원상태로 되돌리는 보호장치.

라이프 사이클 코스트(Life Cycle Cost)

대형 시스템의 예정된 유효기간 중 직접, 간접, 재발, 비

재발 및 기타 관련되는 코스트로서 그것을 설계, 개발, 생

산, 조업, 보전, 지원의 과정에서 발생하는 것과 발생할

것으로 예측되는 것을 포함한 총합 코스트.