5Nm3급 금속수소화물 수소저장탱크의 설계

심규성, 김종원, 김정덕, 명광식

한국에너지기술연구원 수소에너지연구센터

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Design of 5,000Nm3 class hydrogen storage tank using metal hydride

Kyu-Sung Sim, Jong-Won Kim, Jung-Duk Kim, Kwang-Sik Myung

Hydrogen Energy Research Center, Korea Institute of Energy Research

1. 서론

수소는 연료로 사용할 경우에 연소시 극소량의 NOx 발생을 제외하고는 공해물질이 생성되지 않으며, 직접 연소에 의한 연료로서 또는 연료전지 등의 연료로서 사용이 간편하고, 가스나 액체로서 쉽게 수송할 수 있으며, 고압가스, 액체수소, 금속수소화물 등의 다양한 형태로 저장이 용이하다. 수소는 무한정인 물을 원료로 하여 제조할 수 있으며, 사용 후에는 다시 물로 재순환이 이루어질 뿐만 아니라 산업용의 기초 소재로부터 일반 연료, 수소자동차, 수소비행기, 연료전지 등 현재의 에너지 시스템에서 사용되는 거의 모든 분야에 이용될 수 있다.

수소에너지 시스템에서 수소의 저장기술은 수소의 제조 및 이용기술을 연결하여 효율적인 에너지체계를 구축하는 중요한 기술의 하나이다. 현재 기체, 액체 및 금속수소화물에 의한 수소의 저장기술이 개발되어 실용화 또는 상용화되고 있다. 아직까지는 고압 기체에 의한 수소의 저장기술이 가장 널리 상용화되어 사용되고 있지만, 사용압력이 15MPa 내외의 고압으로 안전성이 항시 문제로 대두되고 있으므로 낮은 압력에서도 체적대비 많은 양의 수소저장이 가능한 금속수소화물로의 저장기술이 개발되고 실용화 되고있다.

본 연구에서는 그간의 연구결과를 토대로1,2) 금속수소화물에 의한 수소의 저장방법으로 기존 고압 실린더 1기의 저장용량에 해당하는 5Nm3급 수소저장탱크를 설계하고, 이를 장차 수소의 저장용기로 이용할 수 있는 가능성을 검토하였다.

2. 이론

2.1 수소의 저장

현재 수소의 저장은 대부분 기체상태로 행해진다. 제한된 체적의 용기에 다량의 수소를 채우기 위해서는 압력을 가하여 15내지 20MPa의 고압 수소가스로 하여 고정식에는 구형의 대용량 탱크가 이용되고, 저장과 수송용에는 수소실린더라는 내압 용기가 사용되고 있다. 이 때문에 얇고 가벼운 강재 용기가 필요하며, 이 결과 용기의 총중량이 증가하고 코스트도 증가한다. 수소를 -253℃의 극저온으로 액화시키면 상압의 기체수소에 비해 체적은 1/800로 할 수 있다. 액체수소는 통상의 고압수소로 만들고, 수소 1kg당의 액화공정에서 10∼14kW의 전력을 필요로 한다. 또한 액체수소는 증발이 용이하고, 단열성이 높은 특수한 용기에만 저장할 수 있으므로 저장과 이용에 많은 비용이 소요된다.

어떤 종류의 금속이나 합금은 수소와 반응하여 금속수소화물을 만들며, 이때 저장되는 수소의 양은 단위 체적당 액체수소와 동등하거나 그 이상의 밀도로 수소를 저장한다. 단위체적(1cm3)당 수소의 저장량은 금속수소화물(LaNi5H6)의 경우가 액체수소보다도 크고, 20MPa 인 고압수소보다 5배 정도의 수소를 더 저장하고 있다.3)

2.2. 금속수소화물에 의한 수소의 저장

수소저장합금은 수소와 반응하여 금속수소화물을 만들 수 있으며, <표 1>에서 보는 바와 같이 많은 금속수소화물들이 액체수소 이상의 밀도로 수소를 저장할 수 있으므로, 고압가스로 수소를 저장하는 것보다 저장효율의 향상이 기대되어 수소저장용으로 금속수소화물의 개발이 이루어지고 있다. 금속 및 합금 M이 수소와 반응하여 금속수소화물을 만드는 반응에서 반응열을 □H라고 하면, 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

흡수(발열)

2/nM + H2   □□□□□□□   2/nMHn ± □H

방출(흡열)

<표 1> 기체, 액체, 고체수소와 금속수소화물의 밀도와 수소함량4)

매체	밀도(gr/cm2)	수소함량(wt%)	원자수 H/cm3 (1022)
H2 (liquid)	0.07	100	4.2
H2 (gas, 150atm, 20℃)	0.012	100	0.38
NH3 (liquid)	0.6	17.7	6.5
MgH2	1.4	7.6	6.7
TiH2	3.8	4.0	9.1
VH2	2.9	2.08	11.37
Mg2NiH4	2.6	3.6	5.6
FeTiH195	6.1	1.52	5.5
LaNi5H6	8.25	1.37	6.76

일반적으로 수소를 흡수하는 반응은 발열반응이며, 수소를 방출하는 반응은 흡열반응이다. 이들 반응은 수소의 압력과도 관계하게 되므로 온도 및 압력을 조절하여 수소를 저장하거나 저장된 수소를 다시 방출시킬 수 있다.

수소저장합금으로 금속수소화물은 다음과 같은 특성을 가지고 있어야 한다.

① 활성화가 용이할 것. ② 수소의 저장능력이 클 것. ③ 수소의 흡수 및 방출속도가 클 것. ④ 사용온도에 적합한 생성열(반응열)을 가지고 있을 것. ⑤ 수소의 흡수와 방출과정에서 평탄압력을 나타내는 Plateau 영역이 크고, 그 경사도가  작을 것. ⑥ 수소의 반복적인 흡수와 저장에 따라 열화되지 않을 것. ⑦ 불순가스에 대한 내피독성이 클 것. ⑧ 합금의 가격은 저렴하고 가벼울 것. ⑨ 합금의 미분화가 작고, 내구성이 우수할 것 등이 주 내용이다.

3. 수소저장탱크의 설계

3.1 수소저장탱크 설계 고려사항

수소저장탱크를 설계하기 위해서는 다음의 계들을 고려하여야 한다. 즉, 수소의 저장을 위한 수소 공급계, 수소와 수소저장합금의 접촉계, 수소와 수소저장합금 반응계, 수소의 유출계, 수소저장탱크 내부의 압력측정 및 조절계, 수소저장탱크 내부의 온도측정 및 조절계, 수소저장탱크의 냉각계, 수소저장탱크 가열계 등이다.5)

수소저장합금으로는 MmNi4.7Al0.25V0.05 및 MmNi4.7Al0.1Fe0.1V0.1의 두가지를 선정하였으며, 수소저장탱크의 기초설계를 위한 각 변수와 합금의 종류, 그리고 수소의 저장량 등의 변화에 따른 컴퓨터 프로그래밍을 하여 이를 5Nm3 수소저장탱크 설계에 반영하였다.6)

3.2. 수소저장탱크 설계 개요

선정된 두 가지의 합금에 따라 원하는 수소 저장용량과 L/D ratio를 입력하면, 필요한 물질수지를 통해서 전체 필요한 합금의 부피가 계산되어지고, 이러한 합금의 부피를 저장하기 위해 필요한 UR(Unit resorvoir)의 개수가 구해진다. 수소저장탱크의 형태로는 Plate and frame type, Finned tube in vessel type 및 Inside-finned tube buldle type 등 가능한 여러 가지의 저장탱크를 비교하고, 이들 중 제작의 용이성, 열교환 능력의 우수성 등을 검토하여 Inside-finned tube bundle type의 저장탱크를 선정하였다. 원통의 수소저장탱크 내에 구해진 UR은 피치간의 거리가 0.5cm인 삼각피치로 구성하였다. 수소가 저장되는 동안 발생하는 열을 제거하기 위해서 냉각매체로는 냉각수(20℃)를 사용하였으며, 탱크내의 온도를 항상 20℃로 유지하기 위해서 필요한 냉각수의 유량을 계산하였는데, 이때 냉각수가 탱크에 가득 채워지는 시간이 반응시간보다 작은 경우에 가능한 입구와 출구의 온도차이에 대한 냉각수의 유량을 계산한 후 최적의 온도차를 입력하면 수소를 저장시키는데 필요한 모든 구성요소의 설계가 이루어진다.

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

3.3. 5m3 수소저장탱크 설계 결과

예를 들어 합금으로 MmNi4.7Al0.25V0.05를 사용하고, 수소의 저장용량이 5m3이며, L/D가 7일 경우를 살펴보면 다음과 같다.

3.3.1. 설계된 반응기의 설계변수

① Unit Reservoir의 직경 = 0.05[m], Unit Reservoir의 높이 = 0.35[m]

② Unit Reservoir에 들어가는 Unit Section의 개수 = 35[EA]

③ 5.00m3의 수소 저장을 위한 Unit Reservoir의 개수 = 19[EA]

3.3.2. Mole Balance

① 전체 저장되어야 하는 수소의 몰수 =  223.21[mol]

② 1개의 Unit Section에 저장되는 합금의 몰수 =  0.11[mol]

③ 1개의 Unit Reservoir에 저장되는 합금의 몰수 =  3.88[mol]

④ 1개의 Unit Section에 저장되는 수소의 몰수 =  0.33[mol]

⑤ 1개의 Unit Reservoir에 저장되는 수소의 몰수 =  11.63[mol]

3.3.3. 수소의 Charging Rate = 100□/min(STP)이면

① 주입되는 수소의 총 몰속도 = 4.46[mol/min]

② 하나의 UR에 주입되는 수소의 몰속도 = 0.23[mol/min]

③ 수소가 100.00[□/min]으로 주입될 때 5.00[m3]의 수소저장을 위해 소요되는 시간은   49.49[min]

3.3.4. 열수지(Heat Balance)에 의한 UR 열전달 면적의 타당성 검토

① 하나의 UR에서 방출되는 열량 = 1274.91[cal/min]

② 전체 반응기에서 방출되는 열량 = 24223.22[cal/min]

③ 방출되는 열량으로 인한 하나의 UR내의 온도상승 = 53.52[K/min]

④ 1274.91[cal/min]의 열량제거를 위해 필요한 UR의 열전달면적 = 0.04[m2]

단, 반응기 내부온도= 25℃, 냉각수 온도= 20℃, h= 5760[cal/m2,min,K]

⑤ 설계된 실제 UR의 열전달 면적 = 0.055[m2]

계산적으로 필요한 면적 < 실제면적 ∀ OK

3.3.5. 수소저장 System내에 4각 피치로 UR을 배열했을 때 저장탱크의 형태

① 전체 반응기(Cylinderical)의 직경 = 0.28[m]

② 반응기에 채워지는 냉각수(물)의 부피 = 0.0085[m3] = 8.49[Liter]

③ 전체 반응기의 순(net)부피 = 0.02154[m3] = 21.54[Liter]

3.3.6. 수소저장탱크의 냉각을 위한(H2 charging시) 냉각수 유입구(Cylinderical)의 직경선정 : 0.04[m]

① 냉각수의 유입 및 유출 온도차가 1℃일 때 ∀ 냉각수 유량 = 1.2749[liter/min], 냉각수 유속 = 0.0169[m/s], 냉각수의 수소저장탱크내의 체류시간 = 6.659[min]

② 온도차가 2℃일 때 ∀ 냉각수 유량 = 0.637[liter/min], 냉각수 유속 = 0.0085[m/s], 냉각수의 수소저장탱크내의 체류시간 = 13.318[min]

③ 온도차가 3℃일 때 ∀ 냉각수 유량 = 0.425[liter/min], 냉각수 유속 = 0.0056[m/s], 냉각수의 수소저장탱크내의 체류시간 = 19.977[min]

④ 온도차가 4℃일 때 ∀ 냉각수 유량 = 0.3187[liter/min], 냉각수 유속 = 0.0042[m/s], 냉각수의 수소저장 탱크내의 체류시간 = 26.637[min]

⑤ 온도차가 5℃일 때 ∀ 냉각수 유량 = 0.255[liter/min], 냉각수 유속 = 0.0034[m/s], 냉각수의 수소저장탱크내의 체류시간 = 33.296[min]

⑥ 온도차가 6℃일 때 ∀ 냉각수 유량 = 0.212[liter/min], 냉각수 유속 = 0.0028[m/s], 냉각수의 수소저장탱크내의 체류시간 = 39.955[min]

⑦ 온도차가 7℃일 때 ∀ 냉각수 유량 = 0.1821[liter/min], 냉각수 유속 = 0.0024[m/s], 냉각수의 수소저장탱크내의 체류시간 = 46.613[min]

3.3.7. 수소저장탱크의 냉각을 위한 냉각수의 유입과 유출 온도차 선정 : 2℃

이러한 과정을 거쳐서 최종적으로 얻어지는 수소저장탱크의 설계변수 값들은 다음과 같이 구해진다. 5.00[m3]의 수소를 1[번]의 합금을 이용하여 100.00[liter/min]의 수소 장입속도로 장입시킬 때. 단, L/D=7, 냉각수 유입라인의 직경은 0.04[m], 냉각수의 온도차는 2℃일 때.

① 필요한 Unit Section의 수는 672(개)

② 하나의 Unit Reservoir 속에는 35[개]의 Unit Section이 있으며, 직경은 0.05[m], 높이는 0.35[m]

③ 전체 반응기는 직경이 0.28[m]이고 19[개]의 Unit Reservoir가 삽입

④ 전체 반응기의 부피는(순부피) 21.54[liter]

⑤ 필요한 합금량은 31.66[Kg]

⑥ 필요한 냉각수의 유량은 0.637[liter/min] = 0.0085[m/s]

⑦ 전체 반응시간은 49.493[min]

4. 결론

탱크의 형태, 합금의 종류, L/D의 값, 냉각수의 조건 등 원하는 계와 5Nm3 용량에 맞추어 설계된 수소저장탱크의 설계내용은 위와 같다. 이들의 값은 최적의 조건에서 선정되고 계산되었으므로 실제 탱크제작에 유용하게 적용될 수 있을 것이다.

참고문헌

[1] 심규성 외, 금속수소화물을 이용한 150□급 수소저장탱크의 제작 및 특성연구,

화학공학의 이론과 응용, 5(1), (1999)

[2] 심규성 외, 2,000□급 수소저장탱크의 수소저장 특성연구,

화학공학의 이론과 응용, 5(2), (1999)

[3] 大角泰章, □增補金屬水素化物-□□物性□應用□, 化學工業社 (1986)

[4] O. Bernaeur, Int. J. Hydrogeh Energy, 14, 727-735 (1989)

[5] Robert H. Perry, Don Green, Chemical Engineering Handbook, McGraw-Hill (1984)

[6] 조용준, 심규성 외, 수소저장탱크의 기초설계, 수소에너지학회 추계학술대회 논문집

(2000)