금속수소화물을 이용한 수소 저장NICE, 제38권 제3호, 2020 2. 본론 2.1. 금속수소화물 금속수소화물을 사용하여 고체 상태로 수소를 저 장하는

하이라이트

270 … NICE, 제38권 제3호, 2020

서론

에너지 전환 과정에서 온실가스 등과 같은 환경

을 오염시키는 물질을 방출하지 않는 특성으로 연료

전지(FC, fuel cell)와 연계된 수소 에너지는 탄소기반

화석연료 에너지 체계를 바꿀 수 있는 대안으로 주

목받아왔다. 수소를 활용하면 에너지를 유용한 형태

로 저장하고 운반할 수 있기 때문에 신재생에너지의

간헐성을 보완할 수 있는 그린 에너지 운반체로 고

려되고 있다. 수소의 단위 질량당 에너지 밀도는 120

MJ/kg(LHV)와 142 MJ/kg(HHV) 사이이며 이는 석유

의 약 3배에 이르는 양이다. 수소는 재생 가능하고

자연계에 풍부하게 존재하며 연소 중에 수증기만을

환경으로 방출하는 청정 연료이다. 또한, 수소는 휴

대 및 운송 가능한 시스템에 저장될 수 있어 특히 자

동차 에너지원으로서 활용이 활발히 진행되고 있다.

청정에너지로의 전환 필요성을 인식한 우리 정부

는 지난해 1월 수소차와 연료전지를 중심으로 수소

에너지 활용을 경제 신성장 동력으로 하여 관련 산

업과 인력을 육성하겠다는 계획을 담고 있는 ‘수소

경제 활성화 로드맵’을 발표하였다. 2040년 국내 수

소차 누적 보급 290만대, 수소 충전소 1200개소 구축

등을 주요 내용으로 하는 로드맵 발표 이 후 1년 만

에 수소차 시장은 급격히 성장하여 2019년 말에는 총

5083대의 수소차 누적 보급으로 전년 대비 5.7배 증

가의 성과를 보이고 있다. 지속적으로 수소경제 활

성화를 차질 없이 추진하기 위해서는 생산-저장-활

용으로 이루어진 수소 산업 벨류체인의 각 요소들이

유기적으로 발전되어야 한다. 수소 저장은 수소경제

의 주요한 축으로, 이에 대한 연구와 개발에서 실증

까지 이르는 과정이 수소차와 연료전지 기술과 조화

롭게 진행되어야 한다.

수소 저장은 고정형 전력, 휴대용 전력 및 운송을

금속수소화물을 이용한 수소 저장

박병흥a, 박주식b, 정광진b, 김종원b a한국교통대학교 화공신소재고분자공학부, b한국에너지기술연구원

[email protected]+, [email protected], [email protected], [email protected]

그림 1. Classification of hydrogen storage methods[1].

하이라이트

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 38, No. 3, 2020 … 271

포함한 응용 분야에서 수소 및 연료 전지 기술의 발

전을 위한 핵심 기술이다. 수소는 모든 연료 중 질

량당 가장 높은 에너지를 가지고 있으나 기체 상태

의 수소는 상온에서 단위 부피당 에너지가 현저히

낮기 때문에 더 높은 에너지 밀도를 가질 수 있는 저

장 방법의 개발이 추진되고 있다. 현재까지 개발되

고 있는 수소 저장 기술들은 그림 1과 같이 정리될

수 있다[1]. 화학적 변화 없이 순수한 수소는 물리적

으로 기체 또는 액체로 저장될 수 있다. 기체 상태로

수소를 상업화 수준의 밀도로 저장하려면 일반적으

로 350~700 bar의 고압 조건이 필요하다. 한편, 대기

압 하에서 수소의 비점이 -252.8 ℃이기 때문에 액체

상태로 수소를 저장하기 위해서는 극저온의 조건을

만족시켜야 한다. 화합물 형태로 수소를 저장할 수

도 있으며 수소는 흡착 또는 흡수에 의해 고체의 표

면 또는 고체 내에 저장될 수 있다. 화학반응을 통해

수소를 액상 화합물로 저장하는 기술 또한 개발되고

있다. 그림 2는 물질 또는 방법에 따른 수소 저장 밀

도를 비교하여 나타내고 있다[2]. 물리적, 화학적 변

화를 통해 단위 부피당 에너지 밀도를 높인 형태로

수소를 저장하는 각 방법들에는 기술적 장단점이 존

재하지만 실용화를 위해서는 경제성과 함께 저장 조

건의 안전성, 저장 상태의 안정성, 수소 방출의 가역

성 등이 주요 사항으로 고려되어야 한다.

금속수소화물(metal hydride)은 수소가 흡수 공

정에 의해 고체 상태로 금속 상에 화학적으로 저장

되는 화학 저장 시스템이다. 금속, 금속간 화합물

(intermetallic compounds) 또는 합금과 같은 특정 물질

은 저온에서 적당한 압력 하에 수소를 흡수하여 가역

성 고체 금속 수소 화합물을 형성하는 능력을 보이고

있다. 고체 매질에 화학적 반응에 의해 흡수되는 수

소는 금속수소화물 형태로 상온 저압 조건에서 고밀

도로 저장될 수 있으며 이로 인해 다른 저장 방법에

비해 더 안전한 것으로 인식되고 있다. 안전성과 비

용 측면에서 이점이 있음에도 불구하고, 금속수소화

물 시스템은 온보드 수소 저장에 적용을 고려할 때는

무게에 대한 단점이 있다. 그러나 무게가 요구되는

이동형 저장 시스템과 이동이 필요하지 않는 정치형

연료전지 시스템에는 안전하고 경제적인 수소 저장

성능을 제공 할 수 있을 것으로 기대되고 있다.

본 하이라이트에서는 대용량 수소 저장에 활용되

는 금속수소화물에 대한 이론과 최근 진행되고 있는

연구 동향을 중심으로 현재 개발되고 있는 금속수소

화물들의 특성들을 소개하고 금속수소화물을 활용

하기 위해 고려되어야 하는 기술적 내용을 검토하고

자 한다.

그림 2. Volumetric and gravimetric hydrogen density[2].

하이라이트

272 … NICE, 제38권 제3호, 2020

2. 본론

2.1. 금속수소화물

금속수소화물을 사용하여 고체 상태로 수소를 저

장하는 것은 다른 저장 방법들에 비해 많은 장점을

제공한다. 이러한 장점 중 하나는 금속수소화물에

서 수소의 높은 저장 밀도로 대량의 수소를 저장할

수 있고 대기 조건에서 수소를 저장할 수 있기 때문

에 기계적 수소 저장 방법에 비해 본질적으로 더 안

전하다는 점이다. 금속수소화물은 연료 전지 차량의

전형적인 온도 및 압력 조건에서 작동될 수 있고 온

도를 높이거나 압력을 낮춤으로서 쉽게 수소를 방출

시킬 수 있는 장점이 있다[3].

금속수소화물의 종류는 크게 원소금속 수소

화물(elemental metal hydride), 금속간 수소화물

(intermetallic hydride), 복합금속 수소화물(complex

metal hydride)로 구분된다[4]. 자연계에서 금속 원소

들은 수소와 이성분 화합물로 원소금속 수소화물을

형성할 수 있지만 열역학 또는 수소저장 능력 측면에

서 대부분은 수소저장에 적합하지 않다. 이러한 수소

화물에서 수소는 금속처럼 거동하고 금속 결합을 형

성하기 때문에 수소화물은 높은 열전도도와 전기전

도도를 보이지만 물리적으로는 쉽게 부서지는 취성

을 지니고 있다. 금속수소화물은 수소를 금속과 직접

반응시키거나 전기화학적 반응에 의해 만들 수 있으

며 다양한 화학량론적 비를 갖는 화합물 또는 비화학

량론적 비의 화합물로 존재한다. 대표적인 금속 수소

화물로는 TiH2와 ThH2가 있다. 단일 금속 원소는 수

소와의 반응 온도와 압력에서 실질적으로 사용하기

에는 적합하지 않다. 이러한 단점을 극복하기 위해

두 종류 이상의 금속을 조합하여 수소를 저장하는 금

속간 수소화물이 개발되었다. AxBy로 표시되는 합금

의 금속 원소 비율을 조절하면 다양한 조건에서 수소

를 저장할 수 있다는 결과가 알려지며 이에 대한 연

구가 활발히 진행되고 있다. 이때, A는 수소와 쉽게

수소화물을 형성하는 원소가 사용되고 안정적이지

않은 수소화물을 형성하는 원소 B를 첨가하여 수소

흡수 탈착의 가역성을 높이게 된다. 원소금속 수소화

물과 비교하여 금속간 수소화물은 불균질화 없이 반

복 사이클에 의한 열화 없이 가역 저장의 활용 범위

를 폭넓게 할 수 있다[5]. 복합금속 수소화물에서 수

소는 [AlH4]-나 [BH4]

-와 같이 복합 음이온의 한 부분

으로 금속 양이온과 결합하게 된다. 복합금속 수소화

물은 열분해를 통한 높은 탈수소 온도 조건이 필요하

고 가역 흡수와 탈착과정에 촉매나 첨가물이 필요하

다는 단점이 있다. 여기에서는 금속수소화물의 종류

중에서 금속간 수소화물을 중심으로 기술 현황을 살

펴보겠다. 따라서, 별도의 언급이 없는 경우 금속수

소화물은 금속간 수소화물을 의미한다.

2.2. 금속수소화물 수소저장 이론

금속수소화물은 벌크 금속에 원자 상태로 수소

를 저장하며 다른 저장 방식과는 달리 물리적으로

고체 형상을 갖게 된다. 격자간 금속수소화물의 경

우 기체 상태의 수소 분자는 금속 표면에서 원자 상

태의 수소로 분해되고 금속의 원자 구조 사이로 확

산하게 된다. 수소 흡수과정은 그림 3과 같은 1차원

Lennard-Jones 포텐셜로 단순화되어 설명될 수 있다

[6]. 금속 표면에서 멀리 떨어져 있을 때 수소 분자

와 두 개의 수소 원자 사이의 에너지 차이(H2 → 2H)

는 -435.99 kJ/mol-H2이다. 금속 표면에 접근하는 수

소 분자의 인력은 van der Waals 힘으로 금속 표면으

로부터 대략 한 개의 수소 분자 반경(> 0.2 nm)에서

물리흡착 상태를 유발시킨다. 금속 표면에 가까워짐

에 따라 수소는 해리와 금속-수소 결합 형성의 활성

화 에너지 장벽을 극복해야 한다. 활성화 에너지 장

벽은 이 과정에 참여하는 금속 표면의 물리적, 화학

적 상태에 따라 다르게 나타난다. 수소 원자는 표면

에 존재하는 금속 원자들과 전자를 공유하게 되고

화학흡수 상태가 된다. 화학흡수된 수소 원자는 높

은 표면 이동성을 갖고, 서로 상호 작용하며 충분히

높은 표면 커버리지를 보이며 상(phase)을 형성할 수

있다. 다음 단계에서 화학흡수된 수소 원자는 표면

아래 층으로 점프하여 최종적으로 금속 격자를 통해

간극 부위에 확산된다. 최종적으로 수소 원자는 전

하이라이트

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 38, No. 3, 2020 … 273

자와 함께 금속의 밴드 구조를 형성하게 된다.

수소화물을 형성하는 금속(M)이 수소에 노출되었

을 때 금속수소화물은 다음과 같은 반응에 의해 생

성된다.

M +c

H2 ↔ MHc (1)2

위 반응에서 수소화물 형성에 반응열 Q가 동반

된다. 수소저장을 위한 수소화물의 경우 금속과 기

체 상의 수소와 비교하였을 때 안정적인 금속수소화

물의 엔트로피는 낮아졌기 때문에 수소화물 형성 반

응은 발열 과정이며 수소가 방출되는 역반응은 흡열

반응이다.

금속수소화합물 생성 반응의 열역학 특성은 그

림 4와 같은 등온 압력-조성 곡선(PCI, pressure-

composition isotherm)으로 표현된다. 낮은 조성에서

수소는 금속 격자에 흡수되고 고용체(solid solution)

인 a-상을 형성한다. 수소의 압력이 증가함에 따라

수소의 조성 또한 증가하고 또 다른 상인 b-상이 생

성된다. b-상이 성장하는 동안 압력은 일정하게 유

지되고 a-상과 b-상이 혼합물 형태로 두 상이 공존

하는 상태가 지속된다. 이 때 PCI 곡선에서는 평탄

화(plateau) 영역이 나타나고 이 구간의 폭이 저장되

는 수소의 양을 결정하게 된다. 열역학적으로 평탄

화 구간의 압력은 온도에 따라 변화해야 하며 다음

과 같은 van’t Hoff식의 관계를 갖게 된다.

lnP =DH 0

-DS 0

(2)RT R

위 식에서 DH0와 DS0는 각각 반응식(1)의 엔탈피

및 엔트로피 변화이고 T는 절대 온도, R은 기체상수

를 나타낸다. PCI 그래프로부터 DH0와 DS0를 추산하

는 방법은 그림 4에 PCI 그래프와 함께 표현되었다.

DH0값은 공학적으로 관심을 받는 물성으로 금속수

소화물로 수소를 저장 또는 방출할 때 출입되는 열

의 양을 추산할 수 있는 근거가 된다.

2.3. 금속수소화물 특성

수소 저장 목적으로 금속수소화물이 검토된 이래

로 연구된 금속수소화물은 대략적으로 7종류로 구분

할 수 있다. 이들은 AB5, AB2, AB3, A2B7, A6B23, AB,

A2B로 표시할 수 있으며 각각의 대표적인 물질들은

그림 3. 금속 표면으로 접근하는 수소 원자의 Lennard-Jones 포텔셜[6].

그림 4. 금속수소화물 형성의 PCI 곡선 예시와 van’t Hoff 플롯[7].

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274 … NICE, 제38권 제3호, 2020

표 1에 정리되었다. 원소 A는 희토류와 알칼리 원소

를 나타내고 B는 일반적으로 전이금속을 표시한다.

원소 A는 수소와의 높은 화학 친화도를 보이기 때문

에 안정적인 수소화물을 형성하는 반면 B는 수소화

물의 안정성을 낮춰 가역적인 반응을 가능하게 한다.

일반적으로 금속수소화물의 수소 저장 능력은 저

장 매체인 금속 질량에 대비한 저장 수소 질량의 비

로 표시된다. 현재, 금속수소화물을 위한 주요 합금

재료는 위에서 언급된 7종류 중 4종류로 AB5, AB2,

AB, A2B 형태의 금속간 화합물은 각각 대략 1.5, 2.0,

1.8, 3.0 wt% 수준의 수소 저장 용량을 보이고 있다.

각 금속수소화물 형태의 대표적인 물질들에 대한 수

소 저장 용량과 조건은 표 2에 정리되었다.

2.3.1 AB5형

희토류 금속과 d-금속으로 이루어진 AB5형 금속

간 화합물은 수소 저장 측면에서 많은 관심을 끌었

다[8]. CaCu5 구조를 지니는 AB5형 금속간 화합물은

좋은 사이클 성능과 낮은 평형 압력, 빠른 속도와 불

순물에 대한 저항성이 우수하여 수소 저장 매체로

주목받고 있다. 그러나, CaCu5형 육방정계 구조로 인

해 중량당 저장 밀도가 낮은 단점이 있는 것으로 알

려져 있다[9].

LaNi5 기반 수소화물은 빠른 수소 저장 방출 속

도와 대기 조건에서 가역적으로 수소를 저장하는

능력 때문에 수소 저장을 위한 물질로 광범위하게

연구되어 왔다[10]. 전형적인 LaNi5 기반 수소화물은

373 K에서 약 0.9wt%의 수소를 방출할 수 있다. 차

량에 탑재되어 수소 저장 용기로 활용되기 위해 저

장 용량을 1.2wt% 수준으로 향상시킬 수 있을 것으

로 예상된다[11]. 그러나 LaNi5계 수소화물은 매우

비싸고 상대적으로 이론적 수소 저장 용량이 낮다.

따라서 수소 저장 용량을 높이는 한편 비용을 저감

시킬 목적으로 새로운 원소를 금속간 화합물에 첨

가한다. La이나 Ni 또는 둘 다 저비용 금속으로 부

분적으로 치환시켜 이러한 변화를 유발시킬 수 있

다[12]. LaNi5의 Ni을 부분적으로 치환시키면 수소

화물의 평형압력이 변화되고 열적 저항성이 향상되

고 압력 사이클에 대한 성능 감소가 줄어드는 것으

로 나타났다.

표 1. 금속수소화물의 종류

Intermetallic compound

Prototype Hydrides Structure

AB5 LaNi5 LaNi5H6 Haucke phase, hexagonal

AB2 ZrV2, ZrMn2, TiMn2 ZrV2H5.5 Laves phase, hexagonal or cubic

AB3 CeNi3, YFe3 CeNi3H4 Hexagonal, PuNi3-type

A2B7 Y2Ni7, Th2Fe7 Y2Ni7H3 Hexagonal, Ce2Ni7-type

A6B23 Y6Fe23 Y6Fe23H12 Cubic, Th6Mn23-type

AB TiFe, ZrNi TiFeH2 Cubic, CsCl- or Ti2Ni-type

A2B Mg2Ni, Ti2Ni Mg2NiH4 Cubic, MoSi2- or Ti2Ni-type

표 2. 대표적인 금속간 금속수소화물의 물성

Intermetallic compound Hydride Hydrogen storage capacity (wt%) Temperature (K) (1 bar)

LaNi5 LaNi5H6 1.37 295

TiFe TiFeH2 1.89 185

Mg2Ni Mg2NiH4 3.59 255

ZrMn2 ZrMn2H2 1.77 440

하이라이트

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 38, No. 3, 2020 … 275

2.3.2 AB형

AB형 금속은 수소 저장을 위한 금속간 수소화물

의 개발 목적에 부합할 수준의 낮은 중량과 비교적

높은 수소 저장 능력을 보이는 것으로 알려져 있다.

입방 CsCl형 구조는 이러한 종류의 합금들 중에서 가

장 잘 알려져 있으며 가역적으로 수소를 1.9wt% 수

준까지 흡수할 수 있다[13]. 특히 Ti을 기반으로 하고

있는 AB형 합금은 무게가 가볍고 높은 수소 저장 능

력을 지니고 있어 금속간 수소화물의 중 주목 받고

있는 재료이다. 대표적인 합금인 TiFe는 수소와 반응

하여 TiFeH와 TiFeH2를 형성하며 대기 조건에서도

수소원자 대 금속원자의 비(H/M)가 1에 다다르는 것

으로 밝혀졌다[14]. 그러나, TiFe는 수소 흡수 배출의

동적 거동이 원활하지 않으며 평형 압력이 높고 활

성화 과정이 복잡한 단점이 있다[13].

AB형 합금의 조성을 변화시키면 물성이 변화하

여 TiFe의 Fe를 부분적으로 Ni로 치환하면 나노결

정 TiFe 합금의 수명을 향상시킬 수 있는 것으로 나

타났다[13]. TiNi는 수소 흡수 능력이 뛰어나고 원하

는 형태로 쉽게 만들 수 있어 유망한 물질로 주목 받

고 있다. 그러나, TiNi 합금은 강도가 매우 높기 때문

에 분말 형태로 얻는 것은 매우 어려운 것으로 알려

져 있다. 또한, 표면에 발생하는 산화물에 의해 수소

가 TiNi로 흡수되는 것이 쉽게 저해되는 단점이 있다

고 밝혀졌다[15].

2.3.3 AB2형

AB2형 합금에서 A는 Ti나 Zr이 사용되고 B는 전

이 금속을 나타낸다. 전이금속 대신 희토류가 사용

되기도 하지만 희토류 원소의 가격이 비싸기 때문에

희토류 금속에 기반하는 수소화물의 사용은 제한되

고 있다. 이에 따라 희토류를 사용하지 않는 금속 합

성 방법이 연구되고 있다[16]. AB5형과는 달리 AB2형

은 높은 압력에서 새로운 상을 형성할 수 있다. 따라

서, 이러한 문제를 극복하기 위해 표면 반응이 향상

되어야 한다.

지르코늄은 Mn, V, Cr, Fe, Co 등과 결합되어 AB2

형 합금을 형성한다. 수소 저장량이 작지는 않지만

이들의 평탄화 압력이 낮기 때문에 많은 연구들은

A 또는 B를 다른 원소들로 부분 치환하여 수소 저장

능력 저하 없이 평탄화 압력을 높이고자 하였다[17,

18]. V은 수소 저장 능력을 향상시키기 때문에 AB2형

금속간 수소화물의 성능을 바꾸는 중요한 원소이다.

그러나, V의 가격이 비싸기 때문에 함량을 최적화하

는 연구가 진행되었다[19].

2.3.4 A2B형

A2B형 합금은 알칼리 토금속 A와 전이 금속 B로

구성되어 있다. A2B형 합금 중에서는 Ti2Ni가 가장

주목 받고 있다. Ti2Ni에서 Ti를 Zr으로 입부 치환하

면 수소 흡수 능력이 향상되고 사이클 성능 또한 좋

아지는 것으로 나타났다. Ti2Ni에 비금속 원소들인 O

을 첨가하여 제조한 Ti4Ni2Ox는 탈착 평탄화 압력을

높이고 금속간 수소화물의 안정성을 감소시키는 것

으로 알려져 있다. 그러나 이 과정에서 수소 저장 능

력의 저해는 막을 수 없는 것으로 밝혀졌다[20].

2.4. 금속수소화물 활용을 위한 고려사항

금속수소화물을 활용하기 위해 먼저 고려해야 할

내용은 합금/수소화물의 합성이다. 대량의 수소를

저장하기 위해서는 많은 양의 물질이 빠르고 저렴하

면서 신뢰할 수 있는 방법으로 만들어져야 한다. 금

속수소화물의 구조가 복잡해짐에 따라 이러한 과정

은 점점 더 어려워질 수 있다. 냉증기 증착(cold vapor

deposition)과 같은 기술은 새로운 금속수소화물을 연

구하는 수단으로서는 유용할 수 있으나 대용량화하

기에는 불가능할 수도 있다.

두 번째로 고려해야 할 것은 금속 생성과정에서

만들어지는 다양한 두께의 산화물이 금속 표면을 덮

고 있다는 것이다. 이러한 산화 층은 수소에 대한 장

벽 역할을 하기 때문에 수소가 금속 표면에 접근하

는 것을 용이하게 하기 위해서는 산화층을 깨는 활

성화 단계가 필요하다. 따라서, 금속이 합성된 후 첫

수소화 과정은 일반적으로 높은 온도와 높은 수소

하이라이트

276 … NICE, 제38권 제3호, 2020

압력 조건에서 진행된다. 수소 흡착 과정에서 금속

물질의 격자 부피가 증가하여 팽창하고 탈착 과정에

서 수축하게 된다. 이러한 팽창-수축 과정으로 새로

운 금속 표면이 노출되고 입자 크기는 작아지게 된

다. 활성화 과정과 부피 팽창은 금속수소화물을 이

용하는 저장 용기를 설계할 때 반드시 고려해야 한

다. 만약 활성화가 저장 용기 내에서 진행된다면 작

동 조건보다 높은 온도와 압력 범위에서 설계되어야

한다. 반면, 활성화된 금속수소화물을 저장 용기에

채우는 것은 비활성화된 물질을 사용하는 것에 비해

공기에 대한 오염 민감도가 크기 때문에 상당히 어

려운 작업이 될 것이다.

금속수소화물에 수소가 흡착되는 과정과 탈착되

는 과정에서는 평형 압력 차이가 발생하고 이에 따

라 그림 5와 같이 이력현상(hysteresis)이 발견된다.

이력현상은 흡수 과정에서의 평탄화 압력이 탈착과

정에서의 평탄화 압력보다 높은 복잡한 현상이다.

그렇기 때문에 수소 흡수와 방출에는 압력차가 발생

하고 이를 정확히 모사하기 위해서는 두 종류의 열

역학 파라미터가 필요하게 된다.

또 다른 실질적인 문제는 PCI 곡선의 평탄화 영

역에 기울기가 존재한다는 것이다. 이 때 기울기는

평탄화 영역에서 일정하지 않을 수도 있다. 기울기

가 발생하는 주요 원인은 조성의 불균일성 때문으

로 여겨진다. 이력현상과 마찬가지로 평탄화 영역

에서의 기울기는 일부 응용 분야에서 중요한 기술

적 영향을 미칠 수 있기 때문에 이를 줄이는 것이

좋다.

마지막으로 언급할 사항은 사이클 수명이다. 다

양한 분야에서 금속수소화물이 활용될 수 있으나 실

용화 수준으로 활용되기 위해서는 수 천번 이상의

수소 흡수-탈착 사이클이 필요하다. 금속간 화합물

의 수소화물은 불균형화에 의해 준안정성을 지니므

로 사이클 수명이 짧다. 수소 기체에 포함되어 있는

불순물은 표면을 피독시켜 사이클 수명을 단축시킬

수 있으며 입자의 응집, 결정의 성장 등에 의해서도

사이클 수명이 줄어들 수 있다.

3. 결론 및 제안

금속수소화물은 다른 수소 저장 방식에 비해 안

전한 조건에서 대량의 수소를 저장할 수 있는 물질

이다. 많은 연구들이 낮은 온도에서 수소를 흡수-탈

착시키고, 높은 중량 및 부피 저장 밀도를 갖고, 산화

에 대한 저항성이 크고, 가역성이 우수하며, 빠른 반

응속도를 지닌 저렴한 금속수소화물을 만들기 위해

진행되어왔다. 금속간 화합물과 같은 금속수소화물

은 대량의 수소를 저장하는 장점이 있으나 낮은 중

량 저장 밀도로 인해 차량용 수소저장 물질로는 사

용이 제한적이다. 그러나, 정치형 수소 저장 매체로

서는 활용도가 높을 것으로 예상된다.

금속수소화물은 AxBy형태로 A와 B의 조성을 변

경하거나 새로운 원소를 활용하여 A나 B를 부분적

으로 치환시켜 비양론적인 조성의 합금을 제조한다

면 다양한 특성을 지니는 물질을 만들 수 있다. 이들

조성 변화에 따라 작동 온도와 압력 및 저장 능력이

변화하므로 다양한 수소 저장 및 방출 조건에 부합

하는 재료를 찾을 수 있는 방법이 열려있다. 대량 수

소 저장을 목적으로 한다면 이러한 재료 탐색과 개

발 과정에서 수소 저장 성능 측면뿐만 아니라 제조

방법에서의 난이도와 활성화 과정 그리고 성형 조건

또한 고려되어야 한다.

최종적으로 금속수소화물을 사용한 수소 저장 시

스템을 실용화하기 위해서는 시스템 엔지니어링이

그림 5. 298 K에서 LaNi5-H2 시스템의 PCI 곡선.

하이라이트

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 38, No. 3, 2020 … 277

중요하게 된다. 이때는 안전이 최우선 관심사이며

활용 조건, 사이클 수명, 비용 등을 고려해야 할 것

이다. 시스템 엔지니어링 과정에서 물질 및 열전달

문제가 해결될 수 있도록 금속수소화물 저장 용기가

설계되어야 한다.

감사의 글

본 연구는 중소벤처기업부(MSS)와 한국산업기술

진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니

다(No. P0012864).

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