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석유시대에 가려 빛을 못보고 있었던 수소의 활용이 새로운 전기를 맞고 있다. 대체에너지의 기치 아래 첨단 신소재인 수소저장합금이 개발됨으로써 수소에너지의 본격적인 활용이 몇발자국 앞으로 다가선 것이다. 열효율이 크고 무공해이며 쉽게 전기에너지로 환원될 수 있는 무한정한 자원한 수소에너지는 선진각국에서는 수소자동차, 히트펌프 등에 널리 활용되고 있다.
 

중학교 이상의 학력을 가진 사람이면 누구나 물의 전기분해라는 실험을 어렴풋이나마 기억하고 있을 것이다. 두 개의 서로 다른 시험관을 물속에 거꾸로 넣고 물을 전기분해하여 발생한 산소와 수소를 시험관에 담아, 그중 수소가 들어있는 시험관에 성냥불을 가까이했을 때 '펑'하는 폭발음의 짜릿한 희열을 누구나 한번쯤은 느꼈을 것이다. 물을 분해하면 얼마든지 얻을 수 있고 타고나면 물만 남는 무공해 에너지원인 수소에 대한 효율적인 이용은 첨단 신소재인 수소저장합금의 개발에 따라 다음 세대의 에너지원으로서 점차 밝은 미래를 던져주고 있다.

나무, 석유, 그리고?
 

인류가 최초로 불을 발견하고 이용하였을 때 사용한 에너지원은 나무였다. 급속도로 발전하는 문명 속에서 현재에는 석유가 에너지자원의 주종을 이루고 있지만 1973년의 석유파동이래 대체 에너지의 개발이 중요한 과제가 되고 있다. 이와함께 태양열, 조력(潮力), 지열(地熱), 해수(海水)의 온도차이 등의 저급(低級)에너지를 효율적으로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 이러한 에너지를 실제로 사용하기 위해서는 효율적인 저장 및 운반의 문제를 또한 해결해야 한다.
 

에너지를 저장하는 방법은 여러가지 있으나 수소를 에너지 저장매체를 사용할 경우 열효율이 크고 공해가 없으며 연료전지(燃料電池, fuel cell)등을 통해서 쉽게 전기로 환원할 수 있다. 또한 물의 전기분해 등으로 수소를 얻을 수 있으므로 자원도 무한하다는 장점이 있다.
 

그러면 에너지원으로서 또는 에너지 전달매체로서, 수소의 높은 실용가치를 수소저장합금이라는 첨단 신소재와의 결합에 의해서 어떻게 사용되는지, 수소의 제조 저장활용의 측면에서 그 실태와 전망을 알아보기로 하자.

무한한 에너지원
 

수소는 그동안 천연개스인 메탄(methane)을 스팀 리포밍(steam reforming) 함으로써 주로 생산되었는데 최근에는 석탄과 수증기와의 반응, 중유(heavy oil)의 산화 등에 의해서 수소를 생산하는 방법이 새로 개발되었다. 그러나 함께 발생한 일산화탄소(CO)처리 등의 단점을 안고 있어, 현재 공해가 전혀 없는 태양에너지로 물을 분해하여 수소를 얻는 방법이 광범위하게 연구되고 있다(그림1).
 

이러한 방법은 TiO₂, TisrO₂등의 촉매와 전해질의 개발로 수소의 제조효율을 높여왔으나, 석유자원에 비해 경제성을 갖출 수 있는 최저 제조효율이 13%인데 반하여, 현재는 10% 미만에 머물러있기 때문에 아직은 태양에너지를 이용한 수소제조는 연구단계에 머물고 있다. 그러나 앞으로 석유가격의 오름 및 꾸준한 수소제조효율의 향상으로 경제성을 가지게 되면 지구 표면의 3분의2 이상을 덮고있는 물과 무한한 태양에너지를 사용하여 쉽게 수소를 얻을 수 있기 때문에 인류의 에너지 변천사에 획기적인 새로운 장을 열게 될 것이다.
 

이렇게 발생된 수소를 실용적으로 이용하기 위해서는 수소를 어떻게 효율적이고 안전하게 저장 운반할 것인가 하는 문제가 우선적으로 해결되어야 한다.
 

수소를 저장하는 방법에는 압축개스로 저장하는 방법, 액체수소로 저장하는 방법, 고체형태로 저장하는 방법 등이 있으나 압축개스에 의한 저장법은 단위 부피당 저장 용량이 적을뿐 아니라 항상 고압개스의 폭발위험을 안고있는 단점이 있다. 단위부피당 수소저장량이 압축개스 저장법보다 우수하며 폭발위험이 없는 안전한 액체 수소저장법은 크게 두가지로 나눌 수 있다.

첫째는 순수한 수소를 액화하여 저장하는 방법이다. 그러나 액화시키는데 필요한 온도는 -2백53℃의 극저온이므로 이에따른 부대설비 때문에 제조비용이 비싸지며, 열에 노출될 경우 증기로 변하는 단점이 있다.
 

둘째는 암모니아(NH₃), 메탄올(CH₃OH) 유기(有機)액체 등과 같이 H를 포함하고 있는 액체상태로 저장하는 방법이다. 그러나 수소를 사용하기 위해 분해할 경우 CO₂, N₂등 수소 외의 다른 개스도 함께 발생하므로 혼합개스로부터 수소를 분리해야만 하는 과정이 추가되는 단점이 있다.
 

수소를 고체상태로 저장하는 방법에는 크게 3가지로 나눌 수 있는데 첫째 제오라이트(zeolite)의 분자규모의 통로와 공동(空洞)에 수소를 분자상태로 저장하는 방법이 있으나 다른 저장법들에 비해 우수한 점이 거의 없다. 둘째 방법으로는 표면적이 넓은 물질에 수소를 물리적으로 흡착(吸着)시켜 저장하는 방법이 있으나 경제성은 액화수소의 저장법과 비슷하다. 세째 방법으로는 수소저장합금에 수소와 반응시켜 금속수소화물(金屬水素化物, metal hydride) 상태로 저장하는 방법으로서 앞에서 언급된 모든 방법보다 가장 효율이 좋아 현재 많은 연구가 진행되고 있다.

스폰지에 물이 스며들듯
 

금속수소화물이란 금속(여기서는 수소저장합금을 말한다.)과 수소가 다음 식과 같이 가역적으로 반응하여 형성되는 새로운 화합물의 형태라고 정의될 수 있다.
 

$M+\frac{x}{2}H₂<;->; M{H}_{x} + Qcal     M : 금속$
 

원자번호 1번, 모든 원소 중 가장 작은 원자량을 갖는 수소가, 스폰지에 물이 스며들어 가듯이 수소저장합금을 이루고 있는 금속원자들의 규칙적인 배열 사이에 존재하는 작은 공간(interstitial site)에 들어가서 결과적으로 수소의 액체상태보다 더욱 밀집된 상태를 이루게 된다.
 

모든 금속이 수소를 흡수하여 금속수소화합물을 형성하지는 않으나 주기율표상에서 알카리와 알카리토류 금속, 즉 3족의 금속, Ti Zr Hf V Nb Ta Pd U Th 등과 그 합금등은 수소화합물을 형성한다. 또한 어떻게 합금하느냐에 따라서 그 종류와 특성은 매우 다양하다.
 

금속수소화물에 대한 수소저장법의 효율성은(표1)을 통해서 알 수 있는 바와 같이 고압개스, 액체개스 저장법에 비해 단위부피당 수소저장능력이 약 1.5~2배 이상 우수하며 외부에서 수소압력 및 온도 등을 조절함에 의해서 쉽고 안전하게 수소를 저장 및 분해할 수 있다.
 

현재까지 알려져있는 유망한 수소저장재료들은 FeTi, LaN${i}_{5}$ 또는 Mm : Misch Metal, T : 천이원소), M${g}_{2}$Ni등의 계열합금과 Laves phase계 금속간화합물 등이 있다. 이들의 수소저장용량은 약 2wt% 정도이며 치환합금원소의 종류와 양에 따라 특성을 쉽게 변화시킬 수 있어서 우수한 재료를 개발하려는 시도가 활발히 진행 중에 있다.
 

그러면 수소저장합금으로 수소를 효율적으로 이용할 수 있는 분야는 어떤 것이 있으며 산업화에 대한 현황 및 전망 등을 알아보기로 하자.
 

어떻게 저장하는가?
 

수소를 연료로 사용하기 위해서는 단위체적당 가장 많은 양의 수소를 저장하고 운반할 수 있는 수소저장용기의 개발이 필수적이다. 금속수소화물의 응용기술 가운데 비교적 개발이 진전되고 있는 것은 수소의 저장·수송용기이다.
 

석유의 대체에너지로서 수소를 효율적으로 이용하는데 최대의 장애가 되고 있는 것은 수소의 저장법이다. 금속수소화물을 이용한 수소저장용기는 고압수소보다도 더 효율적이며 안전하게 수소를 저장할 수 있다. 이러한 수소저장시스템은 단위 체적당 수소저장용량이 매우 크고 폭발의 위험성이 없어서 실용화 시대에 수소에너지 자체의 이용가치를 더욱 향상시킬 수 있다. 예를 들면 전력시스템의 경우 잉여전략을 저장할 때, 물을 전기분해하여 수소를 제조하고 생산된 수소를 수소저장합금에 저장한다. 전력을 최대로 사용할 때의 부족분은 금속수소화물로 부터 분해하여 방출된 수소를 연료전지에 연결하여 발전하는 것이 가능하다.
 

이에따라 세계각국에서는 수소저장용기의 개발에 박차를 가하고 있다. 미국의 '브룩하벤'(Brookhaben) 국립연구소에서는 TiFe 4백kg, $TiF{e}_{0.9}M{n}_{0.1}$ 1천 7백kg을 이용하여 수소저장능력이 각각 70㎥, 2백60㎥인 소수저장용기를 개발하였다. 또한'인코'(INCO) 사에서는 $NaN{i}_{5}$를 이용하여 2.5㎥의 수소를 저장할 수 있는 다관형 수소저장용기를 개발하였다. 또한 일본의 경우 '오사카' 기술연구소에서 $MmN{i}_{4.5}M{n}_{0.5}$ 1백6kg을 이용하여 16㎥의 수소를 저장할 수 있는 용기 개발에 성공하였다. 이밖에도 일본 중화학공업, 마쓰시다전기산업 등에서도 FeTi계, TiMn 계 합금을 사용하여 수소저장용기를 개발하였다.
 

또한 수소를 효율적으로 운반하기 위해서는 무게가 가볍고 가능한 한 많은 양의 수소를 저장하는 합금이 유망하기 때문에 Mg계 합금이 사용되고 있다.

시속 1백85km의 수소자동차
 

이 분야에 대해서는 독일의 '벤츠'(Benz)사가 선두로 달라고 있다. 1970년대 초반에 금속수소화물을 이용한 수소저장용기를 사용하여 수소개스를 연료로 하는 수소자동차를 시험적으로 만들어 주행시험을 하였다. 수소는 현재의 휘발유 엔진을 조금만 보완하면 단독 또는 휘발유와의 혼합상태로 사용될 수가 있으며 휘발유만을 사용하는 경우보다 더 높은 효율을 나타낸다.
 

수소자동차의 시험주행에서 얻은 최대속도는 1백85km/h으로서 충분한 개발 가능성을 갖고 있다.특히 대체에너지 개발의 필요성을 절감하고 있는 일본에서는 수소자동차, 수소오토바이 등의 제작과 효율성 향상으로 수소의 제조단가를 얼마만큼 낮출 수 있는가와 기존의 석유에너지 단가의 변동에 의해서 결정될 것이 예상된다. 수소가 에너지원으로서 경제성을 갖추게 되면 수소로 가는 자동자 또는 만화책에서나 나오는 물만 사용하는 맹물자동차를 타보는 날이 오게될 것이다.

폐열을 이용한 히트펌프(Heat Pump)
 

수소를 에너지원으로서 사용하는 방법 이외에 에너지 전달매개체로 사용하는 방법이 있다. 그 중에서 히트 펌프(Heat Pump)를 예로 들어보자. 이것은 금속수소화물을 이용한 열저장기술의 응용으로서 수소저장합금이 수소화반응시에 발생하는 약 35kJ/molH₂의 높은 열량변화와 각종 공업의 플랜트에서 발생되는 폐열을 이용하는 방법이다.
 

수소저장합금과 수소가 반응하여 금속수소화물을 형성할 때에는 발열반응, 역반응일 경우는 흡열반응이므로 각종 폐열 등의 저급에너지원을 이용하면 열에너지를 수소라는 화학에너지 형태로 저장하는 것이 가능해져서 냉난방시스템에 적용할 수 있게 된다.
 

히트펌프의 원리를 나타내는(그림2)에서 각 직선들은 수소저장합금의 온도에 따른 평형수소분압을 표시한다. 재료의 특성에 따라 그림에서의 직선의 위치는 고정된다. 일정한 온도에서 수소압력이 평형수소분압보다 높으면 수소화반응이, 반대로 낮으면 수소의 분해반응이 진행된다. 또한 온도가 증가함에 따라 평형수소분압은 증가한다. 이러한 원리를 이용하여 서로 다른 반응용기 내에 서로 다른 특성을 갖는 수소저장합금을 넣고 수소의 이동통로를 연결하여 그림에서의 순환루트와 같이 반응용기의 적절한 온도변화와 반응용기간의 수소이동을 유발시키면 우리가 원하는 히트펌프를 간단하게 얻을 수 있다.
 

예를들어 가열형 히트펌프의 경우 한번의 순환과정을 거치면서 열의 이동관계를 살펴보면 고온(${T}_{h}$)에서 Q₁의 열을 공급하여 실내온도(${T}_{m}$)에서 Q₂의 열을 방출함으로써 저온(${T}_{i}$)에서 Q₂의 열을 흡수하여, 실내온도(${T}_{m}$)에서 Q₁의 열을 방출시키는 히트펌프 효과를 얻게 된다. 이에 따른 열효율은 고온에서 Q₁의 열을 공급받아 실내온도에서 Q₁+Q₂의 열을 얻게 됨으로써 1과 2사이의 높은 값을 가지게 돼 항상 60~40℃의 실내온도 유지가 가능하다.
 

이러한 금속수소화물을 이용한 히트펌프는 프레온개스를 압축 팽창시킴에 따른 기화열을 이용하는 기존의 기계적 히트펌프에 비해서 화학반응을 통한 열이동을 응용한 것이기 때문에 화학히트펌프(Chemical Heat Pump)라고도 불리운다. 에너지의 효율적인 활용이라는 관점에서 볼 때 현재 이 분야에 대한 실용가능성이 제일 큰 것으로 인식되고 있다.
 

금속수소화물을 이용한 히트펌프는 고온에서의 열량공급원 Q₁의 종류에 따라 다양하게 응용될 수 있다. 약 2백℃부근의 열원이면 충분히 활용할 수 있기 때문에 각종 플랜트에서 나오는 회수 불가능한 폐열을 이러한 시스템에 적용시킨다면 엄청난 양의 에너지 절약 효과와 새로운 에너지원의 개발을 기대할 수 있다.
 

또한 자동차의 에어콘으로 사용할 수 있는데 이때는 자동차의 배기개스 열을 공급원으로 사용한다. 특히 소형 승용차의 경우 기존의 에어콘을 달면 유류소비량이 많고 엔진에 무리가 많이 가는 단점이 있는 반면에 금속수소화물을 이용한 히트펌프는 폐열로써 실내의 냉난방을 동시에 효율적으로 유지할 수 있어서 상업화가 가장 가까운 분야로 크게 각광받고 있다.
 

우리나라와 같은 경우는 연탄보일러를 열원으로 사용하여 가정용 냉난방 장치의 개발이 가능하다. 하루에 연탄 몇장을 사용하여 냉방 및 온방을 마음대로 조절할 수 있다는 것은 대중화의 측면에서 볼 때 획기적이라 할 수 있으며 계량기의 눈금이 빨리 돌아가는 것을 염려하지 않아도 될 때가 그리 멀지는 않을 것이다.
 

실제로 금속 수소 화물을 이용한 히트펌프 분야에 대한 연구는 미국의 '브룩하벤' 국립연구소, 독일의 벤츠사 등에서 시범적으로 제작되기 시작하여 최근에는 그 실용 가능성이 충분히 인식되기에 이르고 있다. 특히 에너지자원이 빈약한 일본에서는 1977년 이후 금속수소화물을 이용한 히트펌프의 제작에 8개 이상의 서로 다른 대형 프로젝트가 수행되었으며 최근에는 이미 상품화 한 것도 있다.
 

일본의 '세키스' 케미컬인더스트리에서 1983년에 개발한 태양열보조 냉난방시스템의 성능은 난방에서 1백75kcal/kg-alloy/hr(온수공급 58kcal/kg-alloy/hr포함) 이었다. '츄 덴키 코교'에서는 1백40~1백60℃의 더운 공기와 32℃의 냉각탑을 결합하여 0~15℃의 냉수를 얻는데 성공했으며 이때에 출력은 80kcal/kg-alloy/hr 이었다. 2종류 이상의 수소저장재료를 결합하여 1백℃ 가까운 저온의 폐열을 회수하는 시도도 진행 중이다.

압축기(Compressor)에도 활용
 

금속수소화물을 이용한 압축기는 움직이는 부분이 없어서 기계적인 압축기에 비해서 소음이 없는 장점이 있다. 수소저장합금의 수소화반응에 대한 평형수소분압이 온도가 증가함에 따라 커진다는 기본적인 원리를 응용한 것이다. 저온에서는 낮은 압력의 수소를 반응관으로 흘려주어도 재료자체의 평형수소분압보다 낮아서 수소화반응을 일으켜 금속수소 화합물의 상태로 저장된다. 그러나 온수나 증기 증을 이용하여 반응관의 온도를 증가시키면 평형수소분압이 증가하는데 이때는 수소를 저장하고 있는 금속수소화물로부터 수소가 방출되어 반응관의 압력을 높이게 된다. 압축기에서 필요로 하는 압력은 반응관에 쓰여지는 수소저장합금의 특성과 방출단계에서의 열원의 온도에 따라 다양한 수치를 얻을 수 있다.
 

(그림 3참조)
 

이러한 금속수소화물을 이용한 압축기는 손쉬운 조작에 의하여 사용될 수 있으며 기계적 압축기에 비해서 제조가격이 저렴하고 저품위 에너지를 이용할 수 있다는 장점이 있다.

고순도 수소는 반도체산업에 필수
 

수소저장합금이 수소만을 선택적으로 흡수한다는 성질을 이용하여 수소의 순도를 높이는 것이 가능하다. 독일의 원자력연구소에서는 ${F}_{e}{T}_{1}$수소화 물을 이용하여 99.9999%보다 더 순수한 고순도 수소를 얻었다고 보고되었으며 ${F}_{e}T₁N₁$계 합금을 이용하여 10~50% 수소가 포함된 혼합물로 부터 순도높은 수소를 분리하기도 했다. 그러나 이러한 방법으로 수소를 분리 및 정화하는 경우 불순개스에 의한 재료자체의 분리능력저하를 어떻게 방치하느냐에 그 실용성이 판가름나게 된다. 고순도수소는 특히 반도체 제조공정에서 필수불가결하게 다량으로 요구되고 있으나 현재 다른 방법으로 제조된 고가의 수소를 사용하고 있으므로 금속수소화 물을 이용하여 정제된 수소를 사용할 수만 있다면 제품의 원가를 낮출 수 있다. 현재 ${F}_{e}T₁$계 합금 등이 불순개스에 대한 저항성이 매우 높은 것으로 알려져 있으나 더욱 우수한 저항성을 지닌 재료개발에 대한 연구는 아직도 진행 중에 있다.

국내의 개발 현황
 

국내에서는 지난 70년대 중반이후 부터 수소저장합금에 대한 학문적인 연구가 한국과학기술원의 본 실험실에 의해서 이루어져 왔고 그 이외에서는 거의 연구가 진행되지 않다가 최근에 몇개의 대학과 연구소에서 기초적인 연구를 시작한 단계라고 볼 수 있다. 그동안 국내에서 연구된 결과는 ${F}_{e}{T}_{1}$계 합금과 Mg계 합금의 열역학 및 속도론적 연구를 완성하였고 최근에는 ${LaNi}_{5}$계와 ${M}_{m}{Ni}_{5}$계 합금들의 실용화에 따른 기본적인 연구를 마쳤으며 국내여건상 가장 실용성이 높은 히트펌프의 제작에 박차를 가하고 있으나 외국의 경우와 비교할 때 아직 초보단계에서 겨우 벗어난 상태이다.
 

국내의 수소에너지 산업을 활성화시키기 위한 대책으로는 끊임없는 신소재의 개발 및 효율성 향상, 장기적인 기술투자와 연구환경의 대중화가 필요하다.
 

특히 이 분야에 대한 연구인력의 수를 일본과 비교할 때 절대인원 비가 약 1백대1 이상 된다는 사실은 자원빈국인 국내사정을 고려한다면 한번쯤 다시 생각해보지 않을 수 없다.