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수소연료는 깨끗하고 저렴하다. 환경 및 자원 등의 문제가 불거지면서 수소연료는 대안 연료로 각광을 받고 있다.
그러나 운송수단 연료로 수소를 사용하기 위해서는 몇 가지 ‘도전’이 필요하다. 너무 큰 공간을 차지 않고 어떻게 수소를 담을 수 있을까, 어떤 방법으로 안전하고 역화(backfire) 없이 수소를 모아둘 것인가 등이다.
수소는 밀도가 낮다. 그래서 높은 압력으로 이를 가둬야 한다. 이 때문에 수소를 흡수한 물질들은 화학적, 물리적 안전사고 우려를 지니고 있다.
화학적 저장용기에서 수소는 암모니아 보란(ammonia borane)과 같은 고체 물질에서 분자화될 수 있다. 화학적 저장의 이점은 이들 물질을 고체에 삽입할 수 있고, 수소가 연료전지에서 즉각 반응하지 않도록 할 수 있다는 것이다. 이 같은 연구내용은 미국 MIT에서 발행하는 테크놀로지리뷰(Technology Review) 8일자에 소개됐다.
그러나 화학적으로 수소를 저장하기 위해 개발 중인 물질에는 중요한 한계가 있다. 많은 양의 에너지를 한 번 내고 나면 이 물질을 다시 쓸 수 없다는 것이다.
수소 저장 물질의 한계
현재 연구자들은 낮은 온도에서 고농축 수소저장 물질인 암모니아 보란을 다시 사용할 수 있는 연쇄반응을 개발하고 있다. 이 처리 기술은 에너지를 생산하면서도 훨씬 적은 에너지를 소모한다는 장점도 있다.
미국 에너지국(DOE, U.S. Department of Energy)이 제시한 수소 연료전지 자동차의 목표는 화학적 수소 저장장치 1개로 300마일을 가는 자동차를 만드는 것이다. 이들 자동차는 자동차 발전기 등에서 저장탱크를 소비한 뒤 이를 재생하기 위해 저장탱크를 새로 교체해야 한다.
화학적으로 수소를 저장하기 위한 물질의 용량은 각 요소를 실은 중량 당 비율로 측정된다. 목표에 도달하기 위해서 DOE는 수소-저장 물질의 효율 기준을 2010년까지 중량 당 6%, 2015년까지 9%로 정했다.
DOE의 기준을 정한 퍼시픽 노스웨스트 국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory)의 수석 연구엔지니어 제이미 홀러데이(Jamie Holladay)는 “암모니아 보란에 대한 좋은 소식은, 이것이 목표 중량과 부피에 적합하거나 이를 능가할 수도 있다는 것”이라고 말한다. 암모니아 보란은 단위 중량당 19.6%의 수소를 담을 수 있다. 그는 “사용된 연료를 재생하는 것이 이제부터의 도전과제”라고 밝힌다.
수소 저장장치 1개로 300마일을 가는 자동차 목표
“암모니아 보란 밖으로 나간 수소를 잡을 수 있다면, 연료를 다시 만들기 위해 더 많은 수소를 압축화할 필요가 없다.” 이는 과도하게 에너지를 응축하는 것이기 때문이다. 뉴 멕시코 로스앨러모스 국립연구소(Los Alamos National Laboratory in New Mexico)의 화학자 존 고든(John Gordon)의 말이다.
해변에서 수백번의 실험을 거치지 않고도 연료화 반응이 가장 잘 작동하는 방법을 알아내기 위해, 로스앨러모스의 화학자들은 앨라배마 대학(University of Alabama)의 화학과 교수 데이비드 딕슨(David Dixon)과 협력했다. 그는 연료 반응의 활동력을 예측하는 알고리즘을 개발했었다.
연구그룹은 가장 잘 될 것같은 화학반응들을 실험했고, 주석 촉매를 사용해 여러 단계에서 연료를 재생하는 물질을 발견했다. 이 물질을 사용하면 에너지를 덜 사용하면서 연료 반응을 바로 운용할 수 있다.
물론, 수소 연료전지 자동차가 실용화되기에는 주요 문제들이 여전히 남아 있다. 우선과제는 수소 연료를 만드는 향상된 방법을 개발하는 것이며, 도전적인 연구자들은 이 문제를 해결하기 위해 노력 중이다.
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저작권자 2009.09.09 ⓒ ScienceTimes
