일본의 연료전지신문은 2월 15일자 기사로 “연구 진행중인 수소저장재료”라는 제목으로 큐슈대학의 아키바 교수와의 인터뷰 기사를 실었다. 아키바 교수는 일본 NEDO 수소저장재료선단기반연구사업 프로젝트의 리더로서 활약해 왔다. 수소저장 연구의 동향을 알 수 있는 내용이기에 소개하고자 한다.

1) 수소저장재료는 어떠한 목적으로 사용하는가?

수소저장재료의 개발목표는 세계가 공통으로 연료전지자동차의 연료로서의 수소를 차량에 탑재하여 저장하는 것이 가능하도록 하는 것이다. 경량이면서도 소형화가 가능하고 저압에서도 저장이 가능한 기술을 찾는 연구가 진행되고 있다.
2015년에 시장에 진출하는 연료전지 자동차의 경우는 미국, 일본, 유럽, 한국 등 모든 나라가 700기압의 고압용기를 탑재하고 있다. 수소인프라에 대한 정비와 이를 위한 규제완화도 700기압의 고압수소를 이용하는 것을 전제로 진행되고 있다.
그러나 고압용기에의 수소저장은 탱크를 보강하는 카본파이버의 가격, 고압수소 취급의 기술 확립 과 같은 과제가 남아 있다. 수소저장재료의 개발은 수소연료전지 자동차의 대량 보급 시기인 2025-30년대에 필요로 하는 수소저장방식으로서, 다양한 종류의 차에 탑재 가능한 기술과 같은 것을 계속해서 개발을 진행해 오고 있다.
수소저장재료의 기본적인 적용처는 연료전지자동차이지만, 후쿠오카 지진에 의한 재앙이후, 분산에너지와 재생가능에너지를 도입하고자 하는 움직임이 높아졌다.
풍력발전과 태양광 발전과 같은 재생에너지는 출력변동이 심해서 이것을 계통전원으로 대량 도입하려면 평준화가 필요하다, 잉여전력을 일단 어느 형태로 저장하는 것은 출력 변동을 흡수하는 것이 가능하다. 여기에 새롭게 에너지저장이라고 하는 수요가 생긴다. 수소는 기존 물전기분해 기술로 고효율로 전력을 수소로 변환시켜 수소형태로 저장한다고 하는 아이디어는 기존에도 있었지만, 이것을 현실화 하려면, 수소저장재료에 달려있으며, 연료전지 이외에 에너지저장이라고 하는 용도에 진출할 수 있다.
독일은 2022년에, 원자력발전을 전폐하기 위해 이것을 대체할 육상 및 해상 풍력발전, 태양광발전 등 재생에너지의 확대를 방침으로 정했으며, 전력공급 뿐만 아니라, 재생가능에너지로부터 얻은 전력을 수소로 전환하는 것도 검토하고 있다.
수소는 연료전지로 발전도 가능하지만, 가스터빈 발전이나 화학공장과 연계하여 화석연료로부터 만드는 수소를 대신하여 암모니아나 메탄올을 제조하는 원료로 이용하는 등 다양한 용도로 이용할 수 있다. 독일은 암염을 채취하고 난 후의 동굴이 지중에 있다. 동굴에는 가스 투과 장벽의 성질을 가지고 있기 때문에 거대한 암염 돔에는 200기압 정도의 수소를 저장하는 것이 가능하다. 또한 수소파이프라인 넷트웍이 이미 존재하고 있어 이것을 활용하여 발전연료나 화학원료로 수소를 이용하고자 하는 것이다.
암염 돔도 파이프라인도 없는 일본에서는 이것을 대신할 수 있는 것이 수소저장재료이다. 일본은 천연가스 수송을 위하여 LNG 기술을 독자적으로 개발해 온 것처럼 수소저장재료를 이용한 수소의 독자적인 활용기술이 필요하다.

2) 수소저장재료는 용도에 따라 다른 것인가?

앞서도 언급한 바와 같이, 연료전지차량용 수소저장재료는 차량 탑재를 위해 경량화, 소형화가 요구된다, 수명은 수백에서 1천 사이클 정도가 좋다. 한편 에너지 저장용으로는 수천사이클로 차량탑재용의 10배 이상의 내구성을 요구하고 있지만, 중량은 큰 문제가 되지는 않는다. 이 때문에 저가이면서 수명이 긴 것이 에너지저장용의 수소저장재료에 요구되는 스펙이다. 치량용과 에너지저장용은 서로 다른 수소저장재료가 개발되고 있다.
연료전지 자동차용 수소저장재료로서 조기 실용화가 가능하다고 기대되고 있는 것이 티탄계 합금을 개량한 것이다. 수소저장능력으로는 4wt% 정도로 수소를 흡장하는 것이 가능하다. 취급이 쉬운 합금이지만, 흡장된 4wt%의 수소중 1%는 방출되지 않는다. 이것을 전체 수소양을 방출할 수 있도록 진행하고 있다. 수소의 방출에 관한 메커니즘이 해명됨에 따라 전 수소를 방출하는 것이 가능해지게 되었다. 실용화에 한발 더 근접한 재료일 것이다.
또한 경량의 탄소계 수소저장 재료의 개발도 진행되고 있다. 탄소소재는 액체질소 온도가 되면 수소를 흡착하게 된다고 하는 것이 정설인데, 실온에서는 수소를 흡착하지 않는다고 알려져있다. 그러나, 토호쿠대학교에서는 제올라이트 주형의 탄소 소재가 상온에서도 1%의 수소를 저장하는 것을 확인 하였으며, 종래의 수소저장 재료는 메카니즘상 수소의 압력을 높여도 일정한 수준에서 포화가 되지만, 제올라이트 주형 카본은 압력에 비례하여 수소의 흡장량이 늘어난다. 백금 나노입자를 도입해도 수소저장량이 늘어난다 하는 것을 알려져 있다. 수소를 흡장하는 새로운 메커니즘을 탄소 자신이 가지고 있는지도 모른다.

3) 제올라이트 주형 탄소가 유망한 수소저장 재료인가?

혁신적인 재료이다, 계산과학과의 조합으로 메커니즘의 해명이 진행되고 있다. 제올라이트 주형 카본은 실온에서 수소저장이 가능하다. 이 말은 어떠한 온도 조작을 하지 않아도 좋다는 것이다. 또한 카본은 수소의 흡착, 방출과정에서 발생하는 열량이 작기 때문에 연료탱크의 구조가 간단하게 된다. 구조가 간단하다는 것은 차량 탑재용으로도 매력이 있다.

4) 구조가 간단하다는 것이 탱크의 구조가 간단하다는 것과 같나?

탄소재료는 출입하는 열이 작아 열교환기가 작고 간단한 구조가 되기 때문에 수소저장재료를 많이 넣을 수 있다. 4wt%의 수소저장량으로도 충분히 실용화가 가능하다. 제올라이트 주형 탄소재는 토호쿠대학의 독자적인 재료이지만, 합성이 어렵다. 다만 제올라이트 주형의 탄소재의 메커니즘 해석이 가능하기 때문에 이것을 모델 케이스로 하여 대량 생산이 가능한 같은 메커니즘의 재료를 만드는 것은 쉽다. 자동차 업계는 제올라이트 주형 탄소소재를 기본으로 하여 같은 기능을 가진 재료를 대량 생산하는 기술을 개발하는 것을 고려해야 하지 않을까 한다.

5) 이외에 주목받는 재료가 있는가?

자동차 메이커가 흥미를 가지고 있는 수소저장 재료로는 마그네슘계가 있다. 자원이 풍부하고 가격이 싸다는 매력이 있기 때문이다. 다만 마그네슘계 수소저장재료는 반응온도가 높기 때문에 열을 가하지 않으면 수소가 나오지 않는다. 자동차 전체의 시스템에서 필요한 열이 나온다면 검토해볼 수 있겠다.
미국에서는 LiNH2와 같은 아미드-이미드계 재료의 연구가 활발하다. 착체계 중에는 금속계에 근접하는 반응기구를 가진 것도 있어 150℃ 정도에서 수소가 나온다. 미국에서는 이 재료를 목표로 하여 저장용기를 만들고 있기도 하다. 미국에서 수소저장재료에 대한 연구가 활발하게 된 것은 당시 부시대통령이 시작한 수소선도계획으로, 석유에 의존하지 않는 자동차라고 하는 에너지안보(national security) 덕분이라 할 수 있다. 오바마 대통령 정권에 들어서 축전지 개발을 우선시하는 방침에 따라 전기자동차와 리튬 이온 전지가 우대되는 시기가 계속되어 수소연료전지 개발 예산이 삭감이 되는 등 우선순위가 떨어지고 있다. 그러나 2011년 여름경부터 셰일가스(shale gas)가 주목받음에 따라 방향 전환하여 첨단적인 수소와 연료전지 연구에도 예산이 붙게 되었다. 미국은 차량 탑재용의 수소저장재료가 목표가 되고 있다. 에너지 저장재료에 대해서는 유럽에서도 선행 연구되고 있다.
한편 미국에서 연구되고 있는 재료로서는 NaAlH4 (알라네이트)가 있다. 금속계 이외로는 어느 것보다도 사용하기 쉬운 재료이며, 수소저장량이 10wt%가 전후로 많지만, 반응온도가 높다. 일본의 수소저장재료 실용화의 기준은 반응온도가 낮고, 반응속도가 빠르며, 저장량이 커야한다는 것이므로 아미드 계열이 유망하다고 보고 있다. 그러나, GM-샌디아국립연구소와 독일의 연구소에서는 알라네이트로 적재탱크를 만들고 있다. 수소방출에는 280℃의 열이 필요하지만, 여기에 필요한 열을 수소연료 일부를 연소시켜 얻는 것으로 고안되고 있다. 알라네이트는 차량 적재하여 온도 올리는 것은 쉽기 때문에 편리하게 수소를 방출할 수 있으며, 수소충전소에서는 수소공급이 가능하지 않다, 수소충전소에서는 수소탱크를 교환한다 하는 것이 미국의 아이디어이다.
일본에서는 수소충전소에서 수소를 충전한다는 것을 암묵적으로 전제하고 있기 때문에, 카트리지 교환을 상정하고 있지는 않다. 수소저장량 만을 보아, 카트리지 방식을 도입할 것이라면 다른 재료도 있다.

6) 에너지저장재료로서는 어느것이 있는가?

일본에서는 아직 합금계이다. 합금계는 성분계를 미소하게 변화시켜서 첨가원소를 변하게 함으로서 성능을 제어한다. 합금계의 문제는 무겁다는 것이지만, 이들 이외에 희토류계의 재료의 연구가 활성화되어 있다.
자원면에서는 리스크가 있는 희토류에서 티탄계의 이용으로 연구 중점이 이동하고 있다. 합금계 재료는 이미 알고 있는 재료이다. 에너지저장용의 수소저장재료는 재료특성도 중요하지만, 시스템을 구성하여 최적화하는 것도 실용화 측면에서 키를 쥐고 있다고 본다.
에너지저장 시스템은 목적과 설치장소에 따라 크기와 사용환경, 달라지기에 엔지니어링적인 관점이 피료하다. 이를테면, 연간 몇 차례만 작동하는 비상용이 있는가하면, 매일 심야에 수소저장하여 피크시간대에 방출하게 하여 내구성이 필요한 것도 있는 등 여러 가지 용도가 있다.
시스템도 최고의 사양이 되어야 할 것이다. 차량 탑재용에 비하여 에너지저장 쪽은 재료의 특성 보다도 가격과 내구성이 중요하며, 시스템 개발 쪽으로 비중이 간다.

7) 수소저장 재료 개발은 어디까지 왔나.

유망한 재료가 있어, 실용화를 위해서는 여러 가지 과제가 추출된 단계이다. 수소저장재료는 이제까지는 기초연구에 치우쳐 왔다. 이런 이유로 재료개발에 중점을 두었다.
NEDO의 수소저장재료 선단기반연구사업(하이드로스타)에서는 첨단적인 평가 방법을 개발하였다. 이러한 해석 수법을 사용해서 재료개발을 가속화 시키는 단계에 있다.
연료전지 자동차의 본격적인 보급은 2030년대가 될 것이다. 대량보급에는 아직 여러 가지 장벽이 있지만, 자동차 메이커는 수소저장이 첫 번째 과제라고 생각하고 있다. 연료전지 스택과 구동시스템의 개발에 비하여 수소저장 기술은 개발의 움직임이 늦다. 빠르면 5년 늦어도 10년 이내에 실용적인 수소저장재료를 탱크에 연결하여 연료전지자동차에 탑재 가능하지 않으면 안된다고 본다. 역으로 말하면 이때까지 개발되지 않으면 차량에 탑재할 수 없다고 본다.
수소충전소는 15년의 연료전지자동차 실용화에 아울러 700기압 고압수소저장 시스템을 중심으로 건설이 시작된다. 실제 연료전지 자동차가 보급 개시되는 2025년 이후에는 수소충전소가 늘어나는 시기에 수소저장재료의 실용화가 가능하느냐 하는 시간과의 싸움이다.

8) 제일 먼저 실용화 가능한 재료는 무엇인가?

티탄계, 제올라이트 주형 카본과 같은 흡착계, 아미드계의 세종류이다. 마그네슘계는 효율이 좋은 터빈과 보온을 결합하여 사용하지 않으면 안된다고 본다. 재료를 사용하는 엔지니어링 기술과 반응온도를 낮추고자 하는 두 방향으로 진행할 필요가 있다.
이중 첫번째는 티탄계일 것이다. 실용화 조건은, 흡장되었지만 사장된 수소를 나오게 하는 것인데, 흡장 중량이 4% 대이면 자동차 회사가 이용할 수 있을 것으로 본다.
좀 더 우선적인 조건은 200기압 이하라는 것이다. 탱크를 카본 파이버로 보강할 필요는 있지만, 가격은 많이 저감된다. 수소저장 재료의 개발이 동시에 진행되어야 한다. 이미 사업을 통해 금속계 재료를 비롯한 다양한 재료가 그동안 검토 연구되어 왔다. 토요다 자동차가 개발한 고압 하이브리드 탱크는 금속계에 적합한 내부 구조를 가지고 있기 때문에 그 부분의 재료를 치환하여 수소저장량이 2.5중량 %에서 3.5 중량%로 되어 장치의 유효함을 확인할 수 있었다. 이것이 성공함에 따라 좀더 수소저장량이 많은 재료를 탐색하게 되었다.
또한 열교환기의 구조를 간단하게 만들어주는 재료를 탐색하였다. 아미드계는 수소저장량이 5wt %가 넘어간다. 흡착계는 열교환기를 단순하게 하는 것이 가능하다. 그러한 여러 가지 특징을 살려 여러 가지 수소저장 재료가 나올 것이다.

9) 유기계 수소저장재료란 무엇인가?

풍력발전에서 수소를 만들어 유기하이브리드로 저장하는 프로젝트가 진행되고 있다. 유기하이드라이드는 액체인데, 취급이 쉬워 산업계에서도 관심을 가지고 있다. 유기하이드라이드는 수소흡장시에도 방출시에도 250℃ 정도의 열이 필요하기 때문에 큰 열원장치를 필요로 한다. 이것을 해결하는 에너지 저장재료의 선택이 중요하다. 해결 과제는 있지만, 적용할 만한 장소도 있을 것이다.

10) 카본 나노튜브 등 탄소재료

카본 재료는 액체질소온도에서 카본의 표면에 수소를 흡착한다. 이 성질은 활성탄에도 카본나노튜브, 카본나노파이버 등에도 동일한 양상이다. 흡착량은 카본 재료의 비표면적에 비례한다고 하는 것은 잘 알려져 있다. 그러나 카본 표면에 수소가 흡착되는 것은 수소저장량이 늘어나지 않기 때문에 재료로서는 한계가 있다. 최근에는 카본재료만으로는 수소가 흡장되지 않는다는 것에는 공감대가 형성되어 있다. 그래서, 연구의 방향으로는 (1) 카본 표면에 금속 나노입자를 붙여 카본 표면을 특수한 상태로 만들어 카본과 금속의 상호 작용으로 수소를 흡착시킨다 (2) 혹은 스필오버라 하여 금속 나노입자를 수소원자에, 수소원자가 카본 표면으로 확산하여 흡착되는 스필오버 저장 연구가 진행중이다. 제올라이트 주형 카본은 평평한 카본을 구부려 카본에 특수한 전자 상태를 만들어준다. 여기에 금속나노입자를 붙여 수소의 출입이 가능한 길을 만들어 둔다. 물리흡착과 스필오버 저장으로 수소저장량이 증가하는 재료로 만든다.

11) 에너지 저장으로서 수소의 용도는?

수소를 연료전지로 발전할 때의 발전 효율은 40-45% 정도이다. 그래서 열병합으로 열을 유용하게 이용하지 않으면 효율을 높일 수 없다. 그러나 독일에서는 발전만이 아니라, 연료전지자동차의 연료, 화학제품의 원료로서의 이용도 구상하고 있다. 일본에서는 부생수소를 포함하여 연간 200억㎥의 수소가 쓰이고 있다. 재생가능 에너지로부터 수소를 제조하는 것도 수소원료로 쓰이는 나프타의 사용량을 줄이게 된다. 가스터빈에 수소를 사용해도 발전효율이 상승한다고 알려져있다. 재생에너지의 대량 도입이 시작되면 수소를 여러 가지 형태로 이용하는 것을 고려하고 있다. 연료전지 발전이 가장 좋은 것이라는 것을 포함하여 검토될 것이다. 수소의 용도는 다양하다. 수소의 원거리 수송은 별도의 과제이지만, 양수발전 효율 70%를 목표로 하여 수소의 여러 가지 이용 형태를 고려하고 있다.

12) 재생에너지는 배터리에 충전한다?

수소와 배터리를 비교하자면, 한자리수 정도 차이가 난다. 배터리는 외형은 크지만, 에너지양은 크지 않다. 대량에너지를 저장하려면 수소쪽이 이점이 있다. 또한 수소로 변환하여 두면 전기나 화학원료로 쓸 수 있어 용도가 광범위하다. 전기자동차와 연료전지 자동차를 비교하여 보면 쉽다. 에너지 저장의 요구가 있어도 배터리는 보급되지 않을 것으로 생각된다.

13) 수소의 운반에도 저장이 필요한가?

수소저장재료는 정치용으로서 움직임이 없는데 좋은 저장방식이지만, 운반을 고려하면, 수소저장재료만이 옵션은 아니다. 대량운반은 화차를 사용하여 액체수소를 수송하는 전환교통(modal shift)과 액체수소를 조합시킨 것이다. 에너지 저장에는 수소저장재료, 고압가스, 액체수소 등 중에서 어느 것이든 적재적소의 기술을 골라 쓰는 것이 좋다. 모든 용도에 수소저장재료를 쓰자는 게 아니다.