저장 어려운 수소, '불타는 얼음'에 저장해
저장 어려운 수소, '불타는 얼음'에 저장해
  • 문현식
  • 승인 2019.01.02 06:20
  • 조회수 1585
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현대차가 미국에서 수소전기차 1호차 고객에게 차량을 전달했다. 사진: 현대차
현대차가 미국에서 수소전기차 1호차 고객에게 차량을 전달했습니다. 제공: 현대차

대표적 친환경 자동차인 수소차 수요도 부쩍 늘어나면서 수소를 에너지원으로 활용하는 다양한 기술이 주목받고 있습니다. 수소가 청정에너지이지만 그동안 사용하지 못한 건 저장이 어렵기 때문입니다. 수소는 현존하는 가장 가벼운 기체 중 하나인데다, 끓는점이 영하 250도를 넘을 정도로 극저온이라서 저장하기가 쉽지 않았습니다.

 

그런데 국내 연구진이 이런 문제점을 보완할 기술을 개발했습니다. 포스텍 화학공학과 이건홍‧ 교수팀은 낮은 압력에서 가스 하이드레이트 내부에 많은 양의 수소를 저장할 수 있는 새로운 원천 기술을 개발했습니다.

 

가스 하이드레이트는 얼음과 비슷한 결정 구조를 가지고 있지만, 내부에 연소 가스가 저장되어 있는 가스 하이드레이트에 불을 붙이면 불꽃을 내며 타는 속성 때문에 '불타는 얼음'으로 불리는 고체입니다. 이 속에 저장하려고 하는 가스의 종류에 따라 하이드레이트를 형성할 수 있는 압력과 온도 조건이 결정되죠.

 

가스 하이드레이트. 출처: 포스텍
가스 하이드레이트. 출처: 포스텍

특히 수소처럼 가스를 저장하려면 1000기압이나 되는 초고압 조건이 필요합니다. 쉽게 말해서 1톤의 물질이 누르는 수준의 엄청난 압력이 필요하다는 의미입니다. 또 열역학적 촉진제를 사용해야만 100기압 정도에서 수소 하이드레이트를 안정화할 수 있다고 알려져 왔습니다. 수소 저장에 하이드레이트를 활용하기엔 실용성이 부족하다는 뜻이죠.

 

연구팀은 이런 한계를 극복하려고 '준안정성(Metastability)'을 연구했습니다. 준안정성은 바닥상태보다 에너지가 높은 상태로 오랫동안 변하지 않고 유지되는 상태입니다. 이 상태의 물질은 안정하지도 불안정하지도 않은 중간 상태에 위치합니다. 이 때 특정 시간이 흐르는 등 한계점 이상의 외부적 요인이 생기면 바로 안정이나 불안정 상태로 변화하게 되죠. 

 

현대차의 수소전기차 넥쏘. 사진: 현대차
현대차의 수소전기차 넥쏘. 제공: 현대차

연구팀은 이를 응용해 가스 하이드레이트의 자기보존 효과를 정밀하게 조절했습니다. 그러자 고작 5기압 정도에서 수소와 질소를 하이드레이트 내에 저장할 수 있었습니다. 또 기압을 10기압으로 올리자, 가스 저장량이 기존의 6.2배까지 올라가는 효과까지 덤으로 얻었다고 합니다.

 

이번 연구의 제1저자인 이보람 연구교수는 "가스 하이드레이트의 특성을 활용한 여러 연구가 진행되는 상황에서 '준안정성'을 활용한 연구가 발전하면 가스 하이드레이트에 수소를 저장하는 새로운 패러다임이 등장할 것"이라고 기대했습니다. 이번 연구는 미국 화학회가 발행하는 물리화학 저널 <저널 오브 피지컬 케미스트리 C(Journal of Physical Chemistry C)> 표지에 게재됐습니다.


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