수소연료 저장할 최적의 물질 찾아낸다
수소연료 저장할 최적의 물질 찾아낸다
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.07.22 19:55
  • 조회수 2855
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청정에너지 공급망이 글로벌 이슈로 부상하면서 수소에너지에 대한 관심이 커지고 있습니다. 그러나 수소는 기체 상태에서 단위 부피당 저장할 수 있는 에너지가 적다는 단점을 가지고 있죠. 이를 극복하기 위해 암모니아 혹은 액상 유기물 수소운반체(LOHC)1 등의 액체기반 수소 운반체에 수소를 담아 운반하는 방법이 연구되고 있습니다. 수소를 액체형태의 운반체에 저장하여 상온 및 대기압에서 안전하게 운반하고 수소를 필요한 위치에서 추출해서 사용할 수 있기 때문입니다.

 

현재 액상수소 운반체는 다양한 후보물질에 관한 연구가 진행되고 있는데 정량적인 비교지표가 없어 일본, 독일 등 이 분야의 선도그룹들은 서로 다른 물질을 채택하려는 움직임을 보이고 있습니다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 김용민 박사팀이 우수한 후보 물질을 채택할 수 있도록 여러 종류의 LOHC의 수소추출성능을 동일한 조건에서 다각도로 분석할 수 있는 플랫폼을 개발했다고 밝혔습니다.

LOHC와 수소 추출 촉매의 스크리닝을 위한 벤치마킹 연구개발 과정 개략도. 출처 : KIST
LOHC와 수소 추출 촉매의 스크리닝을 위한 벤치마킹 연구개발 과정 개략도. 출처 : KIST

지금까지 수소운반체 후보 물질들은 각기 다른 조건에서 성능이 평가되어 직접적인 성능비교가 불가능했는데요. KIST 연구진은 다양한 LOHC를 촉매 농도, 반응물 농도, 온도 및 압력 등 추출 조건을 달리해가며 반자동으로 분석할 수 있는 장치와 프로세스를 개발했습니다. 각종 수소 운반체들의 수소 추출성능을 동일 조건에서 빠르게 분석할 수 있게 된 것입니다. 그 결과 여러 물질 및 촉매의 수소 추출 속도 등의 성능지표를 명확하게 비교 분석할 수 있게 되어 수소운반체와 수소 추출용 촉매를 효과적으로 선별할 수 있게 됐습니다.

 

연구진은 LOHC들 중 가장 상용화 가능성이 크다고 여겨지는 물질들을 선정하여 수소 추출 촉매반응 특성을 평가했습니다. 대표적인 LOHC인 메틸시클로헥산(MCH)2 분석 결과, 수소추출시 부산물이 적고 반응속도가 가장 빨라 곧 상용화가 가능한 단계로 평가됐습니다. 또 다른 물질인 모노벤질톨루엔(MBT)3은 열전달 매체로서 상업적으로 활발히 사용되고 있으므로 경제성이 높으면서 반응속도, 안전성 등의 장점을 두루 지니고 있어 향후 LOHC로의 활용 가능성이 높은 것으로 평가됐습니다. 특히, KIST에서 2017년 개발한 높은 수소저장성능을 가진 바이페닐 기반 LOHC(BPDM)4의 경우 동일 조건에서 다른 LOHC와 비교해 20% 이상 빠른 수소 추출 속도를 보이는 것으로 확인이 됐는데요. 이는 연료통의 크기가 제한되고, 빠른 수소 추출이 필요한 수소자동차와 수소열차 등에 적용하는 데 유리할 것으로 보여집니다.

고출력 수소운반체 평가장치 사진. 출처 : KIST
고출력 수소운반체 평가장치 사진. 출처 : KIST

개발된 플랫폼은 LOHC 뿐만 아니라 수소 추출용 촉매를 평가할 수 있습니다. 현재 귀금속의 사용량을 줄이고 낮은 온도에서 구동 가능한 국산 촉매를 개발하기 위해 국내 연구진 및 기업들과의 협업을 통해 개발된 촉매들의 수소 추출 성능을 평가하는 데 활발히 응용되고 있습니다.

 

KIST 김용민 박사는 “이번 성과는 국내 연구진이 개발한 수소운반체 평가 플랫폼으로, 여러 후보군 중 우수한 수소운반체와 촉매를 효과적으로 채택하는 데 활용될 수 있다.”라며, “나아가, 본 평가 플랫폼의 확산을 위해 국제공동 연구과제를 도출하고 있으며, LOHC 기술의 조기 상용화를 위해 국내, 일본 및 독일의 산학연 컨소시엄 구축을 기획 중이다.”라고 밝혔습니다.

액상수소운반체를 활용한 수소경제 모습 개략도. 출처 : KIST
액상수소운반체를 활용한 수소경제 모습 개략도. 출처 : KIST

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙) 지원으로 KIST 주요사업, 과학기술정보통신부 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야 국제저널인 'Energy Conversion and Management' (IF : 9.71, JCR 분야 상위 1.11%) 최신 호에 게재되었다.

논문명 : Hydrogen production from homocyclic liquid organic hydrogen carriers (LOHCs): Benchmarking studies and energy-economic analyses

 

[1] 액상유기물수소운반체(LOHC, Liquid Organic Hydrogen Carriers) : 기존의 고압 수소저장 방법의 낮은 부피 대비 에너지밀도를 해결하기 위해, 액상 화합물의 형태로 수소를 저장하는 화학적 수소저장 방법. 대표적으로 MCH (Methylcyclohexane), DBT (Dibenyzltoluene) 등이 있음.

[2] 메틸시클로헥산(MCH) : 일본 Chiyoda 사를 기점으로 연구되고 있는 LOHC로, 톨루엔의 수소화물 형태. 6.2 wt%의 수소저장용량을 가짐.

[3] 모노벤질톨루엔(MBT) : Marlotherm LH 라는 상용 제품으로 널리 알려짐. 고성능 유기합성 열전달유체이나 LOHC로 활용 가능함. 6.2 wt%의 수소저장용량을 가짐. 

[4] 바이페닐 기반 공융화합물 (BPDM, 35 wt% Biphenyl and 65 wt% Diphenylmethane) : KIST 동일 연구진에서 개발한 LOHC 물질. 6.9 wt%의 높은 수소저장용량을 가지면서 디페닐메탄과의 공융혼합을 통해 바이페닐의 단점인 높은 빙점 문제를 해결함.

 

#용어설명

1. 액상 수소운반체 (Liquid Hydrogen Carrier)

기존의 고압 수소저장 방법의 낮은 부피 대비 에너지밀도를 해결하기 위해, 액상 화합물의 형태로 수소를 저장하는 화학적 수소저장 방법. 간헐적이고 예측이 어려우며, 지역 간의 생산량 불균형이 존재하는 재생에너지의 특성상, 나머지로 생산된 전력을 저장하고 필요할 때 다시 사용할 수 있게 도와주는 수소저장 소재가 필요함. 대표적인 액상 수소운반체인 메탄올이나 에탄올의 경우 수소 함유율이 높을 뿐 아니라 관련 제조 산업이 성숙해 있어 향후 유력한 액상 수소운반체가 될 수 있음 (단, 생성물인 이산화탄소의 저장 문제가 해결되어야 함). 액상 수소운반체의 한 갈래인 액상유기물수소운반체 (LOHC)의 경우 수소 흡수/방출할 때 이산화탄소가 배출되지 않고 상온에서 안정하여 또 다른 대안으로 주목받고 있음. 대표적인 LOHC로 MCH (Methylcyclohexane), DBT (Dibenyzltoluene) 등이 있음.

2. 수소추출 반응 (Hydrogen Extraction Reaction)

수소운반체로부터 수소를 추출하는 반응으로서, 본 반응에서 온도를 균일하게 유지하면서 촉매의 성능저하 없이 수소 추출속도를 개선하는 것이 가장 중요한 연구 주제임.


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