[첨단 열유체 공학] 수소 저장 장치 학번 : 200021292 성명 : 성 재 호.

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1 [첨단 열유체 공학] 수소 저장 장치 학번 : 성명 : 성 재 호

2 Overview intro Main subject Conclusion 압축 저장 액화 저장 금속수소화물 탄소 재료 화학수소화물
신 기술 Conclusion

3 Intro How to Store 수소

4 압축 저장 장점 단점 [DOE Hydrogen Storage Targets] 체적이 크다 형상의 변경의 어려움
질량 효율 하락 기존의 인프라 이용 보급기술 장치구성 단순, 저장 방법 간단 빠른 응답성

5 압축 저장 (2)

6 압축 저장 (3) Quantum사는 2002년 업계 최초로 700bar급 수소용 복합 용기 개발
중량효율: 6 wt%, 체적효율 : 31.5 kg/m3 주행 거리 70% 증대  항속 거리 : 480~560km ATK의 Comportable Tank 공간 활용 ↑ Type 3 : 공정, 가격면에서 불리 Type 4 : leakage, 폴리머 라니너의 침투성

7 액화 저장 큰 에너지 밀도 미량의 액체 수소 용기 내에서 증발 액화 에너지의 손실 경량, 고압 위험 적음

8 액화 저장 -253℃ 이하의 냉각기술 ortho  para 수소 정제기술 저장 위한 단열기술

9 액화 저장 단열 기술 진공 단열 증기냉각 복사 쉴드 다층단열

10 수소 흡장 합금 저장 반응식 외형 불변, 물을 흡수하듯이 저장 금속의 원자크기 > 수소
결합 사이 일정 농도 수소가 채워짐  금속수소화물로 상변화

11 수소 흡장 합금 단원소 금속  수소 저장 능력, 경제성, 반응 특성의 보완 수소 저장 합금

12 수소 흡장 합금 조건 & 개선 수소 밀도↑ 구성원소의 첨가 상온, 대기압에서 빠르게 반응 열처리 쉽게 수소 방출 제조방법
저장, 방출시 발열, 흡열 동반 마이크로 수준의 복합화

13 수소 흡장 합금 [ 도요타의 고압-MH 수소저장탱크 ]
수소(H2)가 금속과 접촉되면, 먼저 금속표면에 흡착이 이루어지고, 분자상으로 물리흡착한 수소의 H-H결합이 절단되어 그림에 나타낸 것처럼 원자상 수소(H)로 분리하고, 금속원자와 금속원자사이에 존재하는 “틈”(결정격자간 위치)으로 들어가고 내부에 확산하게 되는 것이다.  이렇게 하여 금속원자의 결합사이에 수소원자가 일정농도 이상 채워진 부분은 금속수소화물로 상변화를 하게 된다.  수소의 방출반응은 이러한 반응과정이 역으로 일어나는 것으로, 수소원자는 먼저 금속표면에서 수소분자로 되어 방출하게 되는 것이다.  실제 사용에서는 금속 또는 합금의 표면적을 크게 하기 위해 분말상으로 하여 이용하고 있으며, 수소가스와의 반응 속도를 증가시키기 위한 연구가 수행되고 있다.  수소저장 용도로 사용되는 수소저장합금은 이런 각각의 반응과정이 모두 가역적으로 빠르게 열역학적인 평형상태에 도달할 수 있는 것에 한정되고 있다. 금속수소화물이란 금속이 수소와 화학반응에 의해 수소를 머금은 상태의 화합물을 가리키는 말 금속과 결합하고 있는 수소의 양을 계산해보면 일반적으로 수소의 부피를 1/1000 이하로 줄이는 효과 이것을 수소저장 매체로 활용할 경우 수소저장 밀도 특히 부피당 수소저장 밀도가 대단히 높아 효율성을 기대할 수 있다. 이와 같은 부피당 저장밀도는 액체 수소보다도 높은 정도이다. 4) 금속수소화물 내의 수소를 우리가 필요할 때 이용하기 위해서는 금속수소화물 내의 수소가 방출 5) 수소가 금속 내에 흡장(sorption) 되느냐금속으로부터 방출(ischarge) 되느냐는 일반적 화학반응에서와 마찬가지로 주위의 온도 또는 압력의 변화에 따른다. 따라서 금속수소화물이라 하더라도 이처럼 필요에 따라 주위의 온도 또는 압력을 변화시킴으로서 수소를 흡장 또는 방출시킬 수 있는 기능을 가져야 한다. 6) 수소를 방출하기 위한 금속수소화물시스템의 온도는 대체로 저온(20~90℃) 혹은 고온(150~300℃)으로 구분한다. 수소를 방출하기 위하여 열을 사용하기 때문에 압축수소와 액화수소가 지니고 있는 안전성 문제를 염려할 필요가 없다. 7) 금속원소는 수소와의 친화력에 따라 수소화물을 형성하기 쉬운 금속과 그렇지 않은 금속으로 나눌 수 있는데 8) 수소와의 친화력이 큰 금속의 경우는 수소의 흡장은 쉽지만 방출이 어렵고, 9) 수소와의 친화력이 작거나 없는 금속의 경우는 수소의흡장 자체가 어렵다. 10) 따라서 금속수소화물이 수소저장 매체로 활용되기 위해서는 수소와의 친화력이 큰 금속과 그렇지 않은 금속 간의 적절한 배합이 필요하다. 11) 수소와의 친화력이 큰 금속을 A, 수소와의 친화력을 갖지 않는 금속을 B라고 했을 때 현재까지 수소저장 매체로서 검토되고 있는 금속수소화물은 구성 원소간 화학 양론적 비를 갖는 AB 형, AB2 형1), AB5 형, A2B 형 등이 있으며 화학양론적 비를 갖지 않는 AxBy 형의 고용체도 있다. 12) 금속수소화물이 수소저장 매체로서 실용화되기 위해서는 수소저장 밀도가 가능한 한 커야 하고, 수소의 흡장 방출이 쉬우면서도 그 반복횟수(수명)가 길어야 한다는 등 여러 가지 특성이 요구된다. 13) 현재 기술수준으로는 금속수소화물을 이용한 시스템의 수소저장율이 1.0~1.5% 정도로 낮지만 14) 상대적으로 저압에서 저장되고 안전하게 취급할 수 있다는 장점을 가지고 있기 때문에 이를 이용한 광산용 차량과 트랙터 등의 시제품이 등장하였다. 15) 또한 이와 같은 금속수소화물이 수소저장 매체로서 실용화된 예로 휴대폰이나 노트북에 쓰이는 배터리의 종류 중에서 Ni-MH전지가 있다. 즉 Ni-MH전지의 음극 표시인 MH가 금속수소화물(metal hydride)을 의미한다. 그러나 여기에 사용된 금속수소화물로는 향후 수소 에너지 시대에 알맞은 경제성이 확보되지 않아, 보다 고성능의 금속수소화물의 개발이 요구되고 있다.

14 탄소 재료 [ 리튬 이온전지 ] 구성 + 유기전해액 ☞ 부극의 탄소 재료 = 정극 + 부극 + 분리막 저온처리 재료
탄소계 재료 흑연 재료 무정형 탄소계 재료 탄소 나노튜브 재료

15 탄소 재료 탄소 나노튜브? 나노기술의 비약적 발전의 결정체 카본나노튜브.
반도체 및 절연체로 제조가증하며 철에 비해 무게는 몇분의 1임에도 강도는 10배 탄소원자 60개가 마치 축구공처럼 결합된 새로운 분자인 플레런 발견. 나노튜브는 플레런에서 변형된 형테임. 수소를 흡착하는 성질을 가지고 있어 이를 이용하여 수송의 저장재료로 이용.

16 화학 수소화물 장점 별도의 수소 저장 과정이 필요 없음 수소가 차지하는 양에 의해 저장량이 결정 대표적인 예
수소를 포함하고 있는 물질로부터 수소를 빼내어 사용하는 수소화물 장점 별도의 수소 저장 과정이 필요 없음 수소가 차지하는 양에 의해 저장량이 결정 대표적인 예 : 알라네이트, 알카리금속, 붕소 수소화물 탄소 재료는 결합의 형태가 다양하며 화학적 안정성, 전기 및 열전도성, 고강도, 고탄성율 등의 우수한 특성을 가진 재료 경량이며 자원량이 풍부하기 때문에 수소를 저장할 수 있는 신재료로 21세기에 크게 부각 탄소재료의 표면 특성은 bulk특성과 같은 구성 원소 간에 작용되는 모든 요소뿐만 아니라 free surface라는 독특한 환경에서 나타나는 상호 작용의 종합적인 결과에 의해 결정 이러한 상호작용이 발현되도록 하는 기능성들을 표면에 도입함으로써 소재의 표면 특성 조절이 가능 탄소계 나노재료의 기상 및 고상 표면처리 기술과 다양한 다공성 탄소재료의 합성(GNFs, CMS등) 및 이렇게 최적화된 탄소재료에 Ti, Cu, Ag, Pt등 기능성 나노입자의 도입을 통해서 다기능성, 고기능성 부여하여 수소저장능력을 극대화 1) 최근 높은 수소 저장 용량 때문에 많은 연구가 되고 있는 분야가 화학적 수소화물(chemical hydrides)이다. 2) 이는 수소를 포함하고 있는 화학물질에서 수소를 분리하여 이용하는 방법 3) 별도의 수소 저장 과정이 필요하지 않으며, 4) 물질 자체에서 수소가 차지하는 양에 의해 저장량이 결정된다. 5) 화학수소화물은 반응에 의한 열량이 많지 않기 때문에 상온과 상압에서 필요한 양의 수소를 저장/공급 할 수 있는 시스템을 구축할 수 있는 매우 안전한 저장 방법 반응 메커니즘 상, 알칼리 용액에 녹여서 안정한 상태로 저장 및 운반이 가능하며, 액상이나 고상으로 사용 가능하므로 재충전이 쉽다. 또한 수소 발생시 생성되는 반응열이 낮고 촉매를 사용하는 구조이기 때문에 수소 발생의 조절을 용이하게 할 수 있다.

17 화학 수소화물 알라네이트 NaAlH4, LiAlH4 등 가역적인 수소 저장 용량 : 5 ~ 6wt%수준(경제적)
평탄압력구간(plateau region) : 2개 0~250℃의 높은 운전 온도 낮은 수소화 반응 속도

18 화학 수소화물 알카리 금속 CaH2, LiH, KH 등, 비가역적으로 반응 약 10wt%의 높은 수소 저장 용량
물과의 가수분해 반응을 통해 수소를 발생 수소의 절반을 물로부터 얻음 MH + H2O → MOH + H2 (M : 알칼리 금속) 수소 발생 속도나 수소 발생량을 조절의 어려움 합금의 가격이 비교적 고가 1) 탄소는 원자번호 6번으로서 결정 또는 무결정 형태로 지구상에 존재하는 데 목탄(숯), 갈탄 등은 무결정 형태이고 흑연이나 다이아몬드는 결정 형태의 일례이다. 2) 탄소에 특수한 기능을 갖게 하기 위하여 인위적으로 탄소를 합성하는 경우원료 물질과 제조 방법에 따라 전기, 열, 물리적 성질이 서로 다른 다양한 물질로 제조 3) 옛날부터 목탄은 흡습, 탈취작용이나 탈색력을 가지고 있다고 경험적으로 알려져 있어서 간장을 만들 때 사용되었는데, 목탄의 입자내부에는 기공(pore)이 상당히 형성되어 있다. 4) 탄소 소재 내의 기공에 기체 및 액체형태의 물질을 접촉시키면 분자간의 물리적 힘이나 화학 반응에 의하여 기체나 액체가 탄소기공의 표면에 액체 형태로 부착될 수 있는 데 이러한 현상을 흡착(adsorption) 흡착력을 갖는 물질을 흡착제라 칭한다. 5) 흡착현상은 흡착제 표면에서 일어나기 때문에 일반적으로 흡착이 잘 일어나려면 표면적이 크거나, 흡착제 표면이 피 흡착물질과 친화력이 높아야 한다. 6) 목탄의 경우 비표면적(흡착제 1g이 갖는 표면적)은 50~300m2정도이지만 인위적으로 기공을 잘 발달시킨 활성탄의 경우 비표면적이 1000~1500m2/g 정도가 되어 강한 흡착력을 지니므로 이 장점을 이용하여 상하수처리, 탈색, 유기용제회수, 탈취, 유해기체제거, 분리농축, 의료, 전기전자 등 다양한 산업분야에 이용되고 있다. 7)기공성 탄소소재에 수소를 접촉시키면 수소가 탄소표면에 흡착되어 저장될 가능성이 있기 때문에, 종래의 활성탄을 비롯하여 플러렌(fullerene), 탄소 나노튜브, 탄소나노섬유 등의 신규 탄소소재가 수소저장용 소재로 연구 개발되고 있고 이들 소재의 표면물성을 변화시켜 수소저장량을 증가시키려는 연구도 진행되고 있다. 8) 기존 활성탄의 경우 비표면적이 1000~1500m2/g 정도이지만 비표면적을3,000m2/g 이상 되는 슈퍼활성탄을 제조하여 수소저장량을 늘리려는 연구가 진행되고 있다. 9) 플러렌은 탄소원자로 구성된 육각 고리와 오각 고리가 조합되어 축구공 모양의 정육면체구조를 가진 물질이며, 탄소수에 따라 C60, C70, C76, C78 등의 다양한 종류가 있다. 플러렌의 내부는 텅 빈 공간으로 추정되고 있으며 이 빈 공간에 수소를 저장시키려는 연구가 진행되고 있다. 10) 한편 1991년에 일본 NEC사 부설연구소의 Iijima Sumio박사는 탄소덩어리를 분석하는 과정에서 6각형 고리모양의 탄소들로 이루어진 나노미터 크기의 탄소튜브를 발견하고 이를 탄소나노튜브라고 명명하였는데, 이러한 탄소나노튜브는 기계적, 전기적 물성이 뛰어날 뿐 만 아니라 기체의 흡착력도 우수한 것으로 알려져 탄소나노튜브에 수소를 저장시키려는 연구가 진행되고 있다.

19 화학 수소화물 붕소 수소화물 LiBH4, KBH4, NaBH4 등 약 10wt% 이상의 큰 수소 저장 용량 , 가수분해 반응
MBH4 + 4H2O → MOH + H3BO3 + 4H2 (M : 알칼리 금속) NaBH4 : 수소 저장 용량이 21.3wt% LiBH4 : 37.0wt%로 대체로 큰 수소저장용량

20 화학 수소화물 특징 특징 단위 부피/질량당 에너지 밀도가 높음 반응부산물인 MBO2
열량이 적음  안전 알칼리 용액에 녹여서 안정한 상태로 저장 및 운반이 가능 액상, 고상으로 사용 가능  재충전 쉬움 반응열 낮고 촉매를 사용  수소 발생조절 용이 반응부산물인 MBO2 (M : 알칼리 금속)의 MBH4 (M : 알칼리 금속)로의 재생공정 연구  상용화 가능성 높다. 에너지 밀도가 높다 안전 위한 장치가 불필요 비가역적 반응 가격이 비교적 높다

21 신 기술 얼음 입자 내에 수많은 빈 나노 공간에 같혀 저장된 수소 분자들 얼음 입자 내에 저장되었던 수소 분자가 방출되는 모습

22 Conclusion [국가별 수소기술 특허출원 현황]
세계 각 국의 자동차 업체들이 개발하고 있는 연료전지 자동차에는 350bar 또는 700bar의 고압 수소저장시스템이 적용 수소 기체의 낮은 부피저장 밀도로 인해 350bar 시스템으로는 연료전지 자동차의 상용화에 필수적인 1충전 주행거리 목표를 달성하는데 한계 패키지 측면에서도 불리 업체들은 압력을 더욱 증대시켜 700bar 수소저장시스템을 적용하려는 추세 700bar 시스템은 가격, 무게, 안전성, 인프라 구축의 효율성 측면 등에서 불리

23 Conclusion

24 Conclusion 설계시 고려사항 효율 무게 & 부피 안정성 & 내구성 비용 충전시간
(1) 비용 탑재용 수소저장시스템 가격이 기존 석유화학연료 저장시스템에 비하여 너무 비싸다. 수소저장시스템을 위한 저비용 소재와 구성 물품이 요구되며, 또한 저비용, 구체적 제조방법이 요구된다. (2) 무게 및 부피 현재 수소저장시스템의 무게와 부피가 너무 크기 때문에 기존 석유연료차량에 적용하기에는 무리가 있다. 모든 경량성 차량 플랫폼에서 500km 이상 주행가능 하도록 경량성의 콤팩트한 수소저장시스템이 될 수 있도록, 소재와 구성부품 개발이 필요하다. (3) 효율 에너지효율은 모든 수소저장 관련분야에서 해결해야할 문제이다. 압축수소 기술과 액체수소 기술 부문에서는 압축과 액화에 요구되는 에너지 효율이 고려되어야 한다. (4) 내구성 수소저장시스템의 내구성이 충분하여야 한다. (5) 충전시간 수소저장시스템의 한계수명 내에서는 3분 이내에 충전될 수 있어야 한다. (6) 안전성, 코드화 및 표준화 수소저장시스템과 주변기술에 대한 안전, 코드 그리고 표준을 제시함으로써 이행/상업화를 용이하게 하고, 또한 안전성 확보와 공공여론을 형성하여야한다. 표준화된 장치와 조작절차, 적용 코드 및 표준, 그리고 저장시스템의 안전성과 내 충격성 등에 대한 실증이 요구된다. (7) 수명, 환경 영향, 효율 분석 수소저장시스템에 대한 충분한 수명, 비용, 환경 영향 그리고 효율에 관련된 분석 자료가 부족하다. 충전시간

25 Reference http://www.h2energy.re.kr/data(pdf)/6.doc

26 Reference http://www.hydrogen.or.kr/H2%20Info/Hi-3-2.htm

27 Thank you Any Questions 발표자 : 성 재 호 E-Mail : icce73@hanmail.net
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