액화수소 탱크 내부에 다공성 물질을 넣어 저장 용량은 액화수소에 가깝게 유지하면서 자연기화에 따른 수소 손실을 늦추는 기술이 제시됐다.
이화여자대학교는 화학·나노과학과 문회리 교수 연구팀이 UNIST 화학과 오현철 교수팀, 독일 뮌헨공과대학교(TUM)·헬름홀츠-베를린 연구소(HZB), 프랑스 라우에-랑주뱅 연구소(ILL)와 공동으로 금속-유기 골격체(MOF)의 극저온 수소 흡착을 활용해 액화수소의 압력 상승과 자연기화를 억제할 수 있음을 규명했다고 29일 밝혔다.
연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 최근 온라인 게재됐다.
약 20K(영하 253℃)에서 저장되는 액화수소는 액체 상태에서 높은 체적 에너지 밀도를 확보할 수 있어 대량·장거리 운송에 유리하다. 다만 외부에서 열이 유입되면 일부 수소가 기체로 변하면서 탱크 내부 압력이 상승하고, 일정 수준을 넘으면 안전을 위해 기체 수소를 외부로 배출해야 해 손실이 발생한다.
연구팀은 기존 기술이 단열을 통해 외부 열 유입 자체를 줄이는 데 집중했던 것과 달리 탱크 내부로 유입된 열이 수소 기화에 쓰이는 과정을 조절하는 방식에 주목했다.
MOF는 넓은 내부 표면적과 나노미터 크기의 기공을 가진 다공성 물질이다. 극저온에서 수소를 흡착할 수 있어 액체에서 기체로 바뀌는 수소 일부를 MOF 표면에 일시적으로 붙잡아 압력 상승을 늦출 수 있다. 흡착된 수소가 다시 방출되는 과정에서도 열이 필요해 수소 기화를 늦추는 완충 역할을 한다.
연구팀은 기공 특성이 다른 MOF 소재인 ‘IRMOF-20’과 ‘MIL-53(Al)’을 비교했다. 실험 결과 IRMOF-20은 MOF 자체가 차지하는 공간을 고려해도 순수 액화수소 탱크의 약 96.6%에 해당하는 저장량을 유지했다.
액화수소만 저장했을 때와 비교해 동일한 압력에 도달하는 데 필요한 온도는 IRMOF-20이 약 12K, MIL-53이 약 27K 높았다. IRMOF-20은 높은 저장량을 확보하는 데 강점을 보인 반면 MIL-53은 상대적으로 저장량이 적지만 수소 방출을 더 높은 온도까지 지연시키는 것으로 나타났다.
실제 적용 효과를 계산한 결과도 저장 기간이 크게 늘었다. 진공 단열 조건의 약 56.6㎥ 규모 탱크를 기준으로 순수 액화수소의 저장 가능 기간은 약 64일이었지만 MIL-53을 적용하면 약 128일, IRMOF-20을 적용하면 약 221일로 늘어나는 것으로 분석됐다.
문 교수는 “액화수소의 보일오프 문제 해결은 수소 에너지 사회의 실현을 앞당길 핵심 기술”이라며 “이번 연구는 MOF와 같은 다공성 물질에서 기공 설계가 얼마나 중요한지를 보여준다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부·교육부 국가연구소(NRL 2.0) 사업과 한국연구재단 BrainLink 사업의 지원을 받아 수행됐다.
