[기고] 액화수소 제조 및 저장 기술

서론

수소는 화석연료를 대체할 수 있는 미래의 청정 에너지원으로 특히 액체수소의 경우, 고에너지 밀도와 경량성을 이용할 수 있어서 우주선 추진 발사체의 연료, 자기영상의료장비 및 의료장기 저온냉동보관, 그리고, 수소연료전지 자동차에 대한 응용성이 대단히 높다.

이런 액체 수소는 -253℃의 대기압에서 1ℓ당 70.8g의 액체상태로 극저온 저장될 수 있는데 이는 상온의 700bar에서 1ℓ당 39.6g의 기체상태로 초고압 저장되는 경우보다 거의 2배의 질량으로 저장된다. 액체수소를 연료전지 자동차에 적용한 경우 68ℓ의 극저온 저장용기에 약 5kg의 액체수소를 저장할 수 있고 이 양의 액체수소로 약 480km의 거리를 갈 수 있다. 당연히 액체수소 저장시스템이 초고압 압축기체 수소 저장 시스템 보다 빠른 충전시간, 차량충돌 시 예상되는 안정성 면에서 훨씬 유리하다. 하지만 기체수소를 액화시키는데 수소가 가진 전체 에너지의 30%정도가 소모되고 충전 이 후 지속적인 증발(boil-off)로 인해 장시간 보관이 힘든 단점이 있다.

1992년 문헌상의 보고에 의하면 BMW Model 735i에 적용된 액체수소 저장용기를 장착한 수소내연기관 차량의 모습이 그림 1에 잘 나타나 있다. 직경 110mm, 길이 280mm의 액체수소 저장용기는 약 80겹의 복합단열층과 증기냉각복사단열 (vapor-cooled radiation shields)층이 결합돼 있고 빈 상태의 무게가 68kg으로 그림 2의 모식도를 보면 액체수소를 안전하고 장시간 액체상태로 보관하기 위한 장치가 결합되어 있다[2].

그림 1에 나타난 저장용기의 부피는 122ℓ이고 최대 5기압을 견딜 수 있게 설계되어 있는데 이 용기에 액체수소를 충전할 때의 용기내의 상태를 보여주는 데이터가 그림 3에 잘 나타나 있다.

그림 3에 나타난 데로 저장용기를 냉각시키고 액체수소를 충전한 이 후 24시간이 지나면 저장용기 바닥에서 상부로 층류화(stratification)가 일어나면서 액체수소표면에서 증기방울이 생성되며 포화상태이상의 약 0.3bar 압력이 걸린다. 이때부터 증발이 일어나기 시작하는 데 하루에 약 1.3%씩 기체수소가 생성되는 것으로 알려져 있다.

현재 알려진 바로는 액체수소를 수소연료전지 차량에 이용하는 데에 해결해야 할 기술적인 면이 있으나 장기적인 관점에서 수소연료전지 자동차를 뿐만 아니라 각종 청정에너지원으로서 제조, 이송, 보관, 사용의 편리성과 안정성을 고려할 때 현재의 취약점을 극복해 미래의 수소에너지는 액체수소가 사용될 가능성이 대단히 높다. 따라서 본 연구에서는 아직 연구개발이 미약한 액체수소의 제조 및 저장에 대한 연구개발 현황을 리뷰(review)하고 향 후 진행될 연구방향을 제시하고자 한다.
1. 액체수소 제조

기체수소를 액화하는데 필요한 단위질량당 필요한 에너지를 3단계 온도강하에 따라 나뉘어 보면, 1) 300K(Kelvin)에서 20.3K로 내리는데 1kg의 수소당 4,000kJ(Joule)의 현열 (sensible heat)이 제거되고 2) 20.3K에서 기체수소에서 액체수소로 상변환 할 때 1kg의 수소당 450kJ의 잠열 (latent heat)이 제거되며, 3) 20.3K에서 올소-파라 수소변환에 1kg당 703kJ의 열에너지가 제거된다. 총 1kg의 수소당 5,153kJ의 에너지가 제거돼 한다. 이론상 액체질소를 만드는 데 필요한 일은 액체수소를 만드는 일에 비해 6% 정도라고 한다. 따라서 실제로 기체수소를 액화시켜 파라 액체수소로 제조하는 데는 이론상의 값보다 적어도 몇 배의 에너지가 필요하다.

액체수소를 제조하는 가장 간단한 시스템은 단순 Linde-Hampson 사이클을 이용한다. 기체수소를 고압으로 압축하여 팽창밸브(throttling valve)를 통과 시키면 열팽창에 의해 열교환기를 통해 방열이 되면서 기체수소가 약간의 액체수소로 변화한다. 그러나 이렇게 하면 수소와 같이 최대역전온도(maximum inversion temperature)가 상온보다 낮은 기체를 냉각할 수 없다. 따라서 수소회로 열교환기의 고온부를 냉각해 고압수소를 최대역전온도이하로 예냉한 후 포화증기와 열교환을 수행한다. 이때 액체질소(Liquid Nitrogen, LN2)를 사용해 77K로 예냉해 액화하는 경우는 대용량 액체수소를 제조하는 Linde-Hampson 시스템에 사용되고 액체헬륨(Liquid Helium, LHe)을 사용해 32.3K로 예냉하여 액화하는 경우는 소량의 액체수소를 제조하는 GM-J(Gifford-MacMahon, Joule-Thompson) 시스템에 사용된다.

기존에 보고된 다양한 제조방법이 있으나 최근에 가장 많이 활용되는 소량 및 대량의 액체수소 제조방법에 대한 사례를 소개한다.....