수소저장합금 - 수소자동차 응용

M(수소저장합금) + H2 <-> MHx(금속수소화물) + ΔH

 

수소 저장합금은 1기압의 수소 가스보다 저장밀도가 1,000배 정도가 크며 고압, 저온을 필요로 하지 않으므로 저장이나 수송이 유리하다.

 

1.  수소 저장 합금의 구비조건

1) 활성화가 용이

2) 생성열(반응열)은 수소저장용의 경우 작고, 열저장용의 경우 클 것

3) 수소 흡수량이 클 것.

4) Plateau영역의 폭이 넓고 그 기울기가 작으며, 또한 수소저장용의 경우에는 실온 부근의 해리압이 2-3기압 일것.

5) 히스테리시스, 즉 수소의 흡수, 방출과정에 있어서 평형압의 차가 작을 것

6) 수소의 흡수, 방출속도가 빠를 것

7) 양호한 열전도성을 갖고 있을 것.

8) 수소의 흡수, 방출 cycle을 여러번 반복하더라도 성능이 떨어지지 않을 것

9) 합금가격이 저렴할 것

 

2. 수소 저장합금의 종류와 특성

(1) Mg계 수소 저장합금

장점	단점
- 수소함유량이 많다 - 경량 - 타합금계에 비해 가격이 저렴 - 자원적으로 풍부	- 실온 부근에서의 해리압이 낮다.(273℃에서 1기압) - 반응속도가 느리다

(2) Ca 계 수소 저장합금

장점	단점
- 합금각겨이 저렴 - 활성화 용이 - 초기 수소 흡수량이 크다	- 실온 부근에서의 해리압이 낮다 - Hystersis 존재

(3) 희토류계 수소 저장합금

장점	단점
- 수소 흡수량이 크다 - 수소화물의 해리압이 우수	- La가격이 고가

 

(4) Ti계 수소저장 합금

장점	단점
- 가격이 비교적 저렴 - 해리압이 실온에서 수기압	- 활성화 고온, 고압을 필요 - Hysteresis가 크다

 

3. 수소저장합금의 응용

(1) 수소 저장용기

  1) 특징: 경량 및 체적이 작다 -> 고압 bombe를 대체하기 위한 저장용기 개발 가능성

  2) 요구특성 : 수소 흡수시에는 반응열의 방열, 수소 방출시에는 외부로부터의 가열이 요구된다.(따라서 합금의 수소 흡수, 방출을 촉진시키기 위해서는 온도의 변화를 어떻게 빨리 합금에 전달할 수 있는가가 관건)

 

(2) 수소 자동차

 1) 자동차용 수소저장합금에 요구 되는 특성

    - 경량일 것

    - 수소 저장량이 클 것

 

(3) Heat pump

 1) 작동원리

    평형 수소압이 다른 수소 저장합금을 이용하여 금속수소화물의 생성과정과 분해과정을 2종류의 수소화물 사이에서 일어나게 하여 열 또는 냉열을 발생시키는 것 -> 연속적으로 실시하기 위해서는 2대 이상의 조합이 필요

 

(4) 동력 변환기술

 금속 수소화물의 평형 해리압이 온도에 따라 변하는 성질을 이용

 특징 - 회전기가 불필요하여 소이 적다

        - 배열수가 있는 경우 전력소비가 거의 없다

        - compact하여 가볍다

 1) 작동원리

    ① 저온에서 수소를 수소 저장합금에 흡수시켜 금속수소화물을 형성

    ② 이 금속수소화물을 고온으로 가열

    ③ 금속수소화물을 분해시켜 고압의 수소를 얻는다

 

4. 수소 저장 합금 이용시 문제점

 (1) 활성화

     수소 저장합금에 수소를 효과적으로 흡수시키기 위해서는 합금표면에 수소 흡수에 장애가 되는 불순물 등을 제거해  야한다. 즉, 전처리를 행한다.

 

 (2) Hesteresis

     대부분의 합금은 수소의 흡수, 방출과정에 있어서 수소 평형압의 차, 즉 Hysteresis가 존재한다. 에너지 변환용 합금 으로 이용할 경우 이 hysteresis는 에너지 손실의 원이 되므로 작은 값을 요한다.

 

 (3) Plateau(평탄성)

     수소 평형압 - 조성 등온선에서 조성이 변하더라도 해리압은 변하지 않는 영역을 Plateau라 한다.

 

 (4) 미분화

      수소 저장합금은 수소의 흡수, 방출을 반복함에 따라서 팽창 및 수축에 의하여 미세한 분말로 된다

      -> 열전도도의 저하, 용기의 국부적 파괴