스크랩 수소자동차용 연료탱크 개발

[모닝제이]

수소자동차용 연료탱크 개발

[과학강국 이끄는 사람들] 이종희 케이시알 연구소장ㆍ전북대 교수

디지털타임스 2006-01-17

http://cafe.naver.com/fuelcell/86

카페 > 연료전지와 태양전지 / 암행어사

수소연료 전지차 산업 주도 앞장

세계적으로 고유가 시대가 도래하면서 우리나라 산업 전반에 상당한 영향이 지속되고 있다. 지난 한 해는 갑작스런 고유가로 제조업체들이 심각한 타격을 받았고 서민경제에도 악영향을 끼쳤던 게 사실이다. 이처럼 에너지 자원 고갈에 따른 대체 에너지 필요성이 더욱 높아짐에 따라 자원빈국인 우리나라로서는 그 어느 때보다 대체 에너지 개발이 시급한 시점이다.

정부에서도 이같은 필요성에 따라 석유 자원을 대체할 수소 에너지에 대한 연구에 힘을 쏟고 있다. 정부는 2015년 세계 4위 자동차 강국으로 도약한다는 비전과 함께, 친환경 미래차 개발과 보급을 위한 마스터플랜을 세웠다. 그중 한 분야가 수소연료전지를 사용하는 자동차이다.

최근 과학기술부 21세기 프론티어연구개발사업의 수소에너지사업단은 수소자동차에 사용할 수 있는 350bar급 수소탱크를 개발했다는 소식을 전했다. 특히, 이 제품은 2005년 12월에 북미지역 자동차용 고압수소연료탱크(ANSI/CSA NGV2-2000) 인증을 획득하고 제품 상용화에도 성공했다는 것이다.

수요 에너지를 이용하려면 무엇보다 수소 제조와 저장 기술이 필수이다. 수소탱크는 바로 수소를 저장하는 핵심기술이 적용된 부품이다. 이 제품의 연구개발 책임자인 이중희 케이시알 연구소장은 "350bar급 Type4 형태로는 미국, 독일에 이어 세계 3번째로 개발에 성공했으며, 나노 복합소재의 초경량 고압 수소탱크 Type4 형태로는 세계 최초"라고 제품 개발의 의의를 밝혔다.

이 소장은 복합재료 고압용기 전문업체인 벤처기업 케이시알의 연구소장이며 또 전북대학교 신소재 공학부 교수이기도 하다.

나노복합소재로 만든 수소탱크는 다른 어떤 복합재료의 고압 탱크보다 가볍고, 내구성이 우수하며 안전성이 뛰어나다는 게 이 소장의 설명이다. 기존 제품에 비해 수명이 2배 이상 길고, 무게를 약 50% 줄일 수 있다는 장점이 있다는 것이다.

이 소장은 "기존의 금속재 탱크에 비해 탱크 한 개당(70리터 기준) 약 35kg 이상의 무게를 절감시킬 수 있으며, 가스차단성과 내구성이 우수하고 기존의 금속재 탱크와 달리 사고시 튀는 파편이 없어 매우 안전하다"고 설명했다.

이 소장은 또 "이번 수소저장탱크에 사용된 `PE-Clay 나노복합소재`는 점토입자를 나노크기(10억분의 1m)의 판 형태로 플라스틱 내부에 고르게 분산시켜 제작한 것으로, 기존 플라스틱은 분자들의 크기가 수소에 비해 매우 커서 분자들 사이로 수소기체가 스며 나오게 되지만 PE-Clay 나노복합소재는 내부에 분산되어 있는 점토입자가 스며져 나오는 수소기체를 차단하게 되므로 수소기체 차단성 및 기계적 물성이 매우 우수한 특징을 갖는다"고 밝혔다.

이 제품으로 획득한 `ANSI/CSA NGV2-2000 인증'은 고압가스를 연료로 사용하는 자동차의 고압연료탱크(CNG 탱크나 수소 탱크)에 대한 설계, 제조 및 품질관리 기준으로, 미국표준협회(ANSI)와 캐나다표준협회(CSA)의 검증을 거쳐 미국을 비롯한 세계 각국의 표준으로 사용되고 있다.

이 소장은 "나노복합소재 초경량 고압 수소탱크는 수소자동차의 핵심부품으로 우리나라가 미래형 자동차인 수소연료전지자동차 산업을 주도하는데 큰 기여를 할 것으로 예상된다"며 "수소자동차용뿐만 아니라 천연가스자동차용 연료탱크, 가정용 및 산업용 고압용기, 우주항공산업 등 다양한 분야에 적용 가능할 것"으로 기대했다.

박정연기자@디지털타임스

수소자동차용 연료탱크 개발

매일경제 2006-01-13

국내 연구진이 나노기술을 활용해 수소자동차용 연료저장장치를 개발하고 미국에서 품질인증을 획득했다.

복합재료 고압용기 개발업체인 케이시알 이중희 박사팀은 수소자동차에 탑재하는 나노복합소재 초경량 고압 수소탱크를 개발했다고 12일 밝혔다.

이 제품은 초고압으로 수소를 저장할 수 있도록 개발됐다. 일반 LPG자동차 저장장 치가 약 20기압 정도로 가스를 저장하는 데 비해 이 제품은 350기압 초고압으로 저 장할 수 있다. 이와 함께 수소가 새는 것을 막아줄 만큼 안정성도 우수하다.

연구팀은 평범한 흙알갱이에 옥타데실아민과 염산 등 화학약물을 처리해 두께가 2~ 3나노미터 정도인 나노클레이를 개발했다. 여기에 고분자수지를 혼합해 탄소섬유로 제작된 저장탱크 내부벽을 만들었다. 이를 통해 수소가 새는 것을 막고 안정적으로 수소가 저장되도록 했다.

저장가능한 수소용량은 70ℓ(1.6㎏)로 약 150㎞를 주행할 수 있다. 수소통 2개를 사용하면 서울에서 대전을 왕복하고 조금 남는 수준이다.

연구팀은 저장장치를 만드는 데 사용되는 재료개발기술을 지난해 6월 복합재료분야 과학저널인 콤퍼지트 사이언스 앤드 테크놀로지에 게재해 성과를 인정받았다. 또 국내에 관련 특허기술 5개를 등록했으며 미국 유럽 일본 등지에도 국제특허출원을 했다.

수소자동차는 경유 휘발유 대신 수소를 연료로 해 움직이는 자동차로 연료가 거의 무한대에 가까울 뿐만 아니라 공해 염려도 없어 차세대 자동차로 손꼽히고 있다.

이 박사는 "지난달 북미지역 자동차용 고압 수소 연료탱크 인증을 획득해 미국시장 진출을 위한 발판을 마련했다"며 "국내외 수소자동차 개발업체에 제품을 공급하는 것을 비롯해 미국 연료전지 업체와 공동연구를 추진하는 등 상용화 작업에 나섰다" 고 말했다.

이명진 기자

㈜다음에너지… 수소에너지 상용화 이끄는 '강한 자부심'

한국경제 2006-02-21

< 이 기사는 기획 PR 기사 입니다. > "재생가능 에너지가 해답이다"

급속도로 진행된 산업화 과정에서 화석연료인 석탄과 석유가 점차 고갈되면서 한국경제의 미래가 달린 신.재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있다.

풍력에너지와 태양에너지， 수소에너지 등이 바로 그것. 정부도 오는 2011년까지 총 에너지 수요의 5%를 신 재생에너지로 공급하기 위해 10개년 기술개발 및 보급 사업을 수립하고 적극적으로 시행하고 있다.

신 재생에너지 가운데서도 수소가 미래의 에너지를 담당할 '구원투수'로 떠오르고 있다.

원소번호 1번， 원자량 1.0079에 불과한 수소가 차세대 에너지로 각광받는 이유는 뭘까.

수소는 연소 시 공해물질이 전혀 배출되지 않는 친환경 에너지원이기 때문이다.

또 지구의 2/3를 차지하고 있는 물에서 얻을 수 있는 무한한 에너지라는 점에서 수소가 경쟁력 있는 에너지로 불린다.

하지만 수소가스의 저장은 영하 250℃와 350기압의 초고압 상태로만 보관이 가능하다는 기술적인 한계가 있었다.

때문에 실생활에 적용할 수 있는 저장탱크를 개발하기가 매우 어려울 뿐 아니라 생산이 가능하더라도 경제성과 안정성 확보에 상당한 문제점을 안고 있었다.

이런 문제점들을 모두 해결하는 기술이 바로 '저장합금'에 의한 수소저장 방식이다.

20년 가까운 노력 끝에 수소 저장합금의 저장량 한계를 극복하고 수소에너지 상용화의 새로운 길을 개척한 벤처기업이 바로 (주)다음에너지(대표 이태형 www.daumenergy.com)다.

지난 1988년 수소가스 이용을 위한 연구를 시작한 이 회사는 2003년 4월 세계 최초로 실온.저압 상태에서 자연방출이 가능한 저장량 3.4wt%의 수소 저장합금 개발에 성공하고 지난해 12월 특허를 획득해 수소에너지 산업의 선두기업으로 부상했다.

다음에너지가 개발한 수소 저장합금 기술은 기존의 나노 튜브 방식이나 얼음입자에 의한 저장방식을 뛰어넘어 일반 실온에서 저압 저장해 사용할 수 있는 획기적인 기술이다.

이 기술은 언제든지 실생활에 적용이 가능할 뿐 아니라 절대적인 에너지 절감효과와 저렴한 제작비용으로 경제성을 확보함으로써 세계 대체에너지 시장에 돌풍을 몰고 올 것으로 기대를 모으고 있다.

특히 이 기술을 활용한 수소저장합금은 다양한 외형 제작이 가능하고 저압.상온 보관 시 안정성 또한 뛰어나다는 장점이 있다.

이동이 편리하고 흡수압력만을 통한 자연방출을 실현할 수 있다는 점도 특징이다.

특히 미국수소학회 상업적 요구조건(6wt%)을 만족시키는 제품을 개발할 예정이어서 향후 외화획득에도 한몫할 것으로 기대되고 있다.

이 회사는 저장합금을 안전하게 보관할 수 있는 저장용기와 수소순도 99.999%를 생산하는 수소발생기 및 수소가스를 가정에서 직접 이용할 수 있는 연소용 버너도 함께 개발 완료한 상태이며 수소에너지 상용화를 위한 모든 채비를 끝마친 상황이다.

다음에너지는 오는 3월 수소가스를 직접 사용하는 이동형 난방기와 실외기 및 유해가스가 없는 이동형 냉방기 등 다양한 친환경 신제품들과 가정용 보일러 및 가스오븐 등 다양한 제품들을 곧 선 보일 예정이다.

이들 제품은 연료비를 고려하면 단순 기능의 보일러나 가스레인지보다 경제성을 훨씬 확보할 수 있다는 강점이 있다.

한 편 다음에너지는 지난해 12월 국내에서 저장량 3.4wt%의 성능을 가진 수소 저장합금의 발명특허를 비롯해 6개항의 특허등록을 완료했다.

올 초에는 세라믹 방열판 기술을 도입함으로써 수소가스를 열에너지로 직접 전환하는 기술을 이용해 본격적인 열에너지 사업을 추진하고 있다.

이를 위해 전국적인 판매망을 구축하고 전국 수소 스테이션을 통한 유통망을 구축한다는 전략이다.

자체적으로 고도의 숙련된 기술지원팀 및 A/S센터를 운영해 완벽한 서비스 체제를 구축할 방침이다.

내년에는 가정용 및 산업용.수송용 등 전 분야의 수소에너지 공급을 비롯해 해외수출에도 박차를 가할 예정이다.

이를 위해 중국 현지 법인 및 공장설립 허가를 완료했으며， 조만간 미국과 호주 등지에도 진출할 계획이다.


[인터뷰] 이태형 대표, 에너지 강국 견인하는 '미다스의 손'

"화석연료 고갈과 지구온난화를 최소화 할 수 있다는 점에서 수소는 분명 매력적인 에너지임에 틀림없습니다．수소에너지 저장의 기술표준을 이끌어 대한민국을 세계 대체에너지 시장을 주도하는 에너지 강국으로 만드는데 일조 하겠습니다."

(주)다음에너지의 이태형 대표는 지난 18년간 수소에너지라는 분야의 가능성을 믿고 투자를 아끼지 않은 숨겨진 '명인'이다．

그는 다음 달 수소를 이용한 제품들의 본격 출시를 앞두고 기대감에 부풀어 있다．연구원들과 전 임직원들이 밤낮을 가리지 않고 신제품 개발에 몰두해 얻은 결과물들이라 자부심도 크다． 수소 보일러와 수소 냉난방기， 수소 오븐레인지， 열풍기를 비롯해 냉난방 석고보드는 그와 임직원들의 땀과 열정이 빚어낸 산물이다．

특히 수소 저장용기를 일반 상온에서 저압 저장해 사용할 수 있는 실온·저압 상태의 수소 저장합금 장치는 국내 뿐 아니라 해외에서도 획기적인 제품으로 평가받고 있다．

"지속적인 연구개발을 통해 2010년엔 세계적인 초일류 에너지기업으로 성장하겠다."고 포부를 밝히는 이 대표의 지치지 않는 열정이 아름답다.

얼음 속 수소 저장 원천기술 '확보'...KAIST 이흔 교수

얼음 속에 저장돼 있던 수소 기포가 배출돼 나오는 장면이다.

언뜻보면 탄산음료수처럼 보이지만 이래뵈도 이 장면은 수소 경제를 실현하는데 가장 난제로 꼽히는 수소 저장 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 세계적 연구 성과다.

물에 미량의 용매를 첨가한 후 얼리면 얼음 속에 나노 크기의 축구공 같은 공간이 마련되는데, 바로 이 곳에 수소 가스를 안정적으로 저장해 놓는 전혀 새로운 개념의 수소 저장 원천기술이다.

이 기술을 통해 머지 않아 수소 자동차에 얼음이 연료로 사용될지도 모른다. 수소가 저장된 얼음이 물로 변하면서 수소 자동차 연료로 사용될 수 있기 때문이다.

미래 무한 청정 에너지원 수소 경제 실현을 위한 '꿈의 시나리오'가 대덕R&D특구에서 펼쳐졌다.

KAIST(한국과학기술원) 이흔(54) 생명과학과 교수 연구팀이 섭씨 0도에서 수소 분자를 얼음 입자 속의 수많은 미세공간에 저장시킬 수 있는 사실을 세계 처음으로 규명하는데 성공했다.

지구상에서 가장 보편적이고 풍부한 물질인 물(얼음)에 수소를 직접 저장할 수 있는 방법이 밝혀짐에 따라 향후 대덕을 중심으로 수소 에너지 대량 확보에 가속도가 붙을 전망이다.

이 연구결과는 세계적 과학잡지인 네이처誌 7일자에 가장 주목해야 할 하이라이트 논문으로 실렸다.

기존의 수소 저장기술 연구는 극저온(영하 252도)과 높은 기압(350 기압)을 이용하는 수소저장합금, 탄소나노튜브 등의 방법으로 접근해 현실적 적용이 쉽지 않은게 사실이다.

하지만 이 교수팀은 이번 연구에서 순수한 물에 미량의 유기물을 첨가한 후 얼음 입자에 수많은 나노 공간을 만들고, 이곳에 수소를 안정적으로 저장할 수 있다는 사실을 밝혀냈다. 이 메커니즘은 세계적으로도 그동안 불가능한 것으로 여겨져 온 것이다.

특히 이 교수팀은 이 메커니즘을 활용할 경우 영상 3~4도의 온도에서 수소가 저장되고, 수소를 포함하고 있는 얼음 입자가 상온에서 물로 변할 때 저장된 수소가 자연적으로 방출된다는 원리도 규명해 냈다.

기존 저장법과 달리 무한의 얼음 입자를 반복해 활용할 수 있고, 방대한 얼음 입자로 이뤄진 빙하같은 공간에 수소의 대규모 저장이 가능하게 된다.

결국 물로 수소를 생산하고 생산된 수소를 얼음 입자에 저장한 후 이를 최종 에너지원으로 이용하게 되는 것이다.

또, 최종 에너지원으로 이용하더라도 다시 수증기가 만들어져 사실상 에너지를 무한대로 사용할 수 있게 되는 셈이다.

이 교수는 "지구상에서 가장 풍부한 물질인 얼음으로 수소를 저장할 수 있게 됐 다는 점에서 이번 기술은 획기적인 아이디어"라며 "수소자동차나 수소 연료전지 등의 상용화를 급진전 시킬 것"이라고 말했다.

기술적 난제...얼음 속 수소 저장율 4% → 6%대로

현재까지 이 교수팀이 확보한 얼음 속 수소 저장 기술은 4% 수준.

그러나 수소에너지 전문가들에 따르면 현존하는 휘발유 차량의 에너지 효율을 내기 위해선 수소 저장 비율이 6.5%대로 뛰어 올라야 한다.

이를 위해 이 교수는 "결국 수소 저장 기술의 핵심은 수소 저장 비중을 6%대로 누가 빨리 올리느냐의 문제"라면서 "향후 가급적 국내 산학연 연구원을 중심으로 최고의 연구팀을 구성해 수소 저장 실용화로 이어질 수 있도록 관련 연구를 추진할 것"이라고 말했다.

이 교수는 필요하다면 해외 선진국의 연구팀들과 손잡고 수소 저장 연구를 범용적으로 해결해 나갈 복안도 있다.

얼음 수소 저장법 규명에 대덕 '들썩'...'획기적', '보완 필요' 등 의견

수소를 얼음 속에 가둬둘 수 있는 '자연 현상'을 세계 최초로 규명했다는 소식이 과학계 현장에 알려지자 관련 연구를 진행하던 대덕의 수소 박사들은 놀라움을 금치 못하고 있다.

김종원 한국에너지기술연구원 수소에너지기술개발사업단장은 이번 KAIST 이흔 교수팀의 연구성과에 대해 "미래 수소에너지 저장의 한 축이 될 수 있는 기술"이라고 극찬했다.

김 단장은 "수소를 저장하기 위해선 영하 253도의 저온으로 '액체수소'를 만들거나, 혹은 350기압 이상으로 압축하는 방식이 필요하다"면서 "이 기술은 100기압 정도의 비교적 적은 압력만 있으면 가능하다는 점에서 기존 방식에 비해 충분한 경쟁력을 갖췄다"고 설명했다.

지금까지 수소를 저장하기 위해선 고압으로 수소를 압축·저장하는 탱크를 제작하거나, 초저온의 환경을 강제로 만들어야 하기 때문에 많은 비용이 들어갈 수밖에 없었지만 이번 연구성과는 수소 저장을 위한 단가가 저렴하고, 안전성도 뛰어나다는 것이 김 단장의 분석이다.

또 원자력연구소 한 과학자는 "수소 저장 기술은 수소 경제 실현의 핵심"이라며 "이번 연구성과를 통해 이 교수는 '수소 경제의 황우석'이 될만하다"고 칭찬을 아끼지 않았다.

그러나 이번 이 교수팀의 연구성과는 기존 수소 저장 기술 연구개념을 완전히 뒤바꾸는 새로운 개념이다보니 신중한 자세를 보이는 과학자들도 있었다.

표준과학연구원 최용문 박사는 "수소를 저장하는 기술에 대해서는 어느 정도 공부한 바가 있지만 이처럼 인위적으로 얼음 속에 저장할 수 있는 기술에 대해서는 들은바 없다"면서 "대단한 기술이라는 느낌은 들지만 어떤 메커니즘으로 동작하는지 아직 이해할 수 없다"는 입장을 밝혔다.

수소 연료전지에 관한 대표적 과학자인 에너지연 김창수 고분자 연료전지 연구단장 역시 "수소를 액체화하는 것 만해도 대단한 기술인데, 이를 얼음 속에 그대로 저장한다는 부분은 좀 더 알아봐야겠다"고 말했다.

신기술임을 인정하지만 아직 우려되는 것이 많다는 의견도 나왔다.

우주선에 사용되는 액체수소를 연구하고 있는 항공우주연구원 민경주 박사는 "저장에 '성공'하는 것도 중요하지만 이를 잘 유지시킬 수 있는 기술개발이 뒤따라야 할 것"이라며 "수소가 들어있는 얼음이 녹을 우려가 있는데, 이럴 경우 수소 가스가 새는 현상 등이 염려된다"는 의견을 전했다.

민 박사는 "액체수소의 경우 그대로 연료로 사용할 수 있어 우주선 발사 등에 사용되고 있지만 얼음 안에 갇혀 있는 수소는 어떻게 사용해야 할 지 알 수 없다"면서 "얼음 안에 든 수소를 안전하게 추출, 사용할 수 있는 기술개발이 뒤따라야 상용화가 가능 할 것"이라고 조언했다.

또, 국내 수소 저장기술의 석학 KAIST 이재영 교수는 "실제로 사용하기에는 몇 가지 문제점을 해결해야 할 것으로 보인다"며 "수소를 얼음 상태 그대로 사용할 수 없는 만큼 '수소자동차'등에 적용하기에는 아직 문제가 있을 것"이라고 지적했다.

이 교수는 "얼음은 영하에서 유지되는 만큼 차량에 '냉각시설'을 설치해야 할 필요가 있을 것"이라며 "실제로 수소의 저장효율이 높은 방식인 만큼 이런 문제가 핸디캡이 되지 않도록 많은 노력이 필요할 것"이라고 덧붙였다.

[빛나리]

대박정보 감사합니다.. 하지만 맨마지막 부분을 보자면.. 학자들간의 치기심이 엿보이는 것 같아 벌레씹은 기분입니다.. 아직 발견단계같은 시작에 불과한 것이니.. 일단 축하와 함께 연구에 동찰할 줄서기나 함이 더 이득이련만 뭔 우려가 어쩌고~ 저쩌고 한단 말인가?...

[빛나리]

몇년도 훨~전에.. 빛나리도 모 세미나에서 수소저장방법에 관해 한마디 거든적 있지요. 흡장금속 & 수소탱크에 저장 같은 초고압 및 초저온이란 배보다 배꼽이 더 클 수 있는 일종의 물리적 기술분야 보다는.. 자연계에 이미 존재하는 어떤 물질을 닮는 방법 즉, '화학적'방법을 제안한 적 있답니다. 넓은 범위의 상온(영하 몇십도~ 100도C이하)에서 액체상태 등등 조건에 알맞는 등등~ 화학물질로서의 흔한 탄화수소계 또는 비탄화수소계를 말입니다. 안정화된 액체는 같은압력(대기압)의 기체상태보다 대략 3천배의 농축이 가능하걸랑요.. 예; 메탄-CH4, 메탄올(액체알콜;CH3OH) 등등~~ 제조하기도 쉽고 보관만 잘하면 매우 안전하는 등~~

[모닝제이]

수소 재 충전시 장입 기구(고정과 이동)도 안전하고 편리해야 되나까 이부분도 연구대상이 되겠군요.실물을 한번보고 싶네.전 하드웨어쪽 문제 해결에 일가견이 좀 있습니다.궁금하네요~!

[돌다리]

수소를 얼음속에 저장하는 기술은, 제가 볼 때는 수소를 얼음속에 직접 저장한다기 보다는 유기물질을 이용하여 수소와 일종의 불안한 화학반응을 유도하여 얼음속에 가두는 것으로 보여집니다. 따라서 초기 원자로가 그러했듯이 이를 통제할 확실한 수단까지 확보된 것으로 보여지지는 않으며, 효율이 낮은 것도 또한 앞으로 해결해야 할 문제인 것 같습니다. 암튼, 발상 자체는 탁월한 것 같군요..