질량 비 에너지 밀도가 높은 수소 (33.3kWh/kg)가 모든 연료 중 가장 높기 때문에 수소를 에너지 저장 매체뿐만 아니라 이동수단으로 사용하는 것은 과거에도 그랬고 지금도 큰 관심의 대상이 되고 있습니다. 그러나 해결해야 할 핵심 문제 중 하나는 수소 저장이 까다롭고 신중하게 고려해야 할 몇 가지 단점이 있다는 사실입니다.
기존의 수소 저장은 일반적으로 20K에서 71kg/m^3의 밀도로 액체 상태의 수소를 사용하는 방식으로 이루어집니다.
그러나 액화에는 수소가 저장할 수 있는 에너지의 30%가 필요합니다.
또한 수소는 최대 700bar의 압력 수준에서 기체 상태로 병에 저장되기 때문에 압축으로 인해 저장된 에너지의 약 12%가 손실됩니다.
두 가지 방식 모두 대부분의 물질을 통해 확산 속도가 빠르기 때문에 원치 않는 수소 가스 방출의 위험이 있습니다.
수소는 화학적으로 결합되어 있지 않기 때문에 쉽게 확산될 수 있으며 수소 저장 시설에서는 항상 화재 및 폭발의 위험이 있습니다.
이를 극복하기 위해 최근에는 금속-유기 구조체, 금속 수 소화물 조합, 제올라이트 구조를 사용해 흡착에 의한 수소 저장을 기계적으로 결합하는 연구가 진행되었습니다.
이 방법은 확산 위험이 낮다는 장점이 있지만 대부분의 금속 수화물은 금속: 수소 비율이 다소 낮고 수소의 흡수 및 방출 속도가 느립니다.
그 결과 니켈-금속-수소화물 시스템만이 수소 저장용 배터리로 사용되어 폭넓게 수용되고 있습니다.
열 분석은 수소의 흡착 및 탈착 과정을 조사하는 데 완벽한 도구입니다.
조사는 중량 측정 및 부피 측정 흡착 분석기와 가압식 열 저울을 사용하여 이루어집니다.
가스 경로, 유량, 압력 및 진공 수준을 올바르게 설정하면 제올라이트와 금속-유기 프레임워크를 다음과 같이 특성화할 수 있습니다. TGA(열 중량 측정) 뿐만 아니라 DSC(시차 주사 열량계)를 사용하여 흡착 및 탈착 열을 측정할 수 있습니다.
현재 디벤질 톨루엔(DBT)과 같은 액체 유기 담체(LOHC)를 사용하는 새로운 개념의 액체 수소 저장 기술이 개발되고 있습니다.
무독성이며 인화성이 거의 없는 액체로, Rh 촉매를 사용해 200°C에서 5bar의 압력으로 수소를 흡수할 수 있습니다.
페록시-DBT라고 불리는 이 제품은 액체 1리터당 600리터의 기체 수소를 흡수할 수 있으며, 이는 2kWh/kg의 저장 용량을 의미합니다.
이 방출은 감압 상태에서 300°C에서 이루어질 수 있습니다.
이 기술을 사용하면 고체 수소 저장 시스템보다 훨씬 더 높은 흡수 및 방출 속도를 달성할 수 있으며, 낮은 확산률의 이점을 유지하여 제어되지 않은 수소 방출의 위험을 낮출 수 있습니다.
액체 수소 저장 매체의 새로운 기술 외에도 수소를 다른 분자에 화학적으로 결합하여 저장하는 방법도 있습니다.
이러한 반응의 대표적인 예로는 유명한 하버-보쉬 합성 수소와 질소 원소로부터 암모니아를 합성하는 것입니다.
암모니아의 연간 생산량은 2,000억 톤 이상이며 이 중 ¾은 비료 생산에 사용됩니다.
하버-보쉬 반응은 일반적으로 철 촉매를 사용하여 200bar, 450°C에서 이루어집니다.
생성된 암모니아는 수소 가스보다 취급 및 저장하기가 쉽지만 순수 수소는 그렇지 않은 독성과 부식성이 있습니다.
암모니아의 에너지 함량은 5.2kWh/kg으로 원소 중 생산 시 효율이 63%에 달합니다.
에너지 함량은 퍼옥시-DBT보다 2.6배 높지만 여전히 순수 수소의 1/6에 불과합니다.
암모니아 외에도 메탄가스나 기타 탄화수소처럼 수소로 합성할 수 있는 다른 가스도 있어 수소 방출 위험이 낮습니다.
예를 들어 메탄은 이른바 석탄 가스화 석탄이나 바이오매스를 높은 온도와 압력에서 수증기로 처리하여 일차적으로 일산화탄소와 수소를 생성하고, 두 번째 단계로 메탄과 물을 생성합니다.
이 공정은 고온 고압 열저울을 사용하여 가장 많이 연구된 반응 중 하나입니다(고압 TGA 및 고압 TG-DSC).
이러한 시스템은 쉽게 장착할 수 있으므로 습도 및 증기 발생기를 쉽게 장착할 수 있으므로 한 번의 실험으로 가스화 등급, 탄소 함량 및 반응 열을 동시에 측정할 수 있습니다.
수소 저장이라는 주제는 앞으로도 오랫동안 우리와 함께할 것입니다.
