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고효율 수소제조용 수소분리형 개질기

전문가 제언: ○ 내열성의 수소분리막을 도입한 막 반응기는 고효율의 수소제조공정에 이용된다. 특히 천연가스의 수증기 개질법에에서는 Pd계 막으로 생성물인 수소를 반응장에서 선택적으로 제거하면 수소분리계가 없는 기존 반응기의 평형값을 넘는 수소수율이 얻어진다. 그러나 Pd는 자원적 한계에 의해 사용량의 저감이 필요하다. 수소 투과성 금속인 ⅣB와 ⅤB족의 Nb, V, Ta 등은 Pd에 비해 수소투과도는 높지만 수소의 흡착/탈착이 쉽지 않고 취성이 크며 표면이 쉽게 변질된다.

○ Hitachi Metals는 Pd 분리막의 원재료 비용을 저감하기 위해서 ULVAC 등이 보유한 특허기술인 Nb 합금을 사용하는 수소분리막에 착안하여, 합금 조직의 최적화를 통해 내구성을 높이고 제조공정을 평가/검증하여 2015년 양산 개시를 목표로 현재 연구개발 중이다.

○ 최근 한국에너지기술연구원은 자체 개발한 Pd-Cu계 막을 통해 기존 막보다 합성가스 처리량을 7배 이상 향상했으며 3㎛ 두께로 박막화해 소재 사용량을 1/10로 저감했다. 학계에서는 최근 동시 증착 스퍼터링 공정에 의해 증착된 Pd-barium zirconate 막의 구조 분석(경상대), Pd 합금 분리막의 전처리 연구(경기대), 복합전도성 세라믹 분리막을 이용한 CH4 직접 분해에 의한 고순도 수소 제조(한양대), Pd 코팅된 V-Ti-Ni 합금 분리막을 통한 수소투과에 대한 CO와 CO2의 영향(충남대) 등이 Pd의 삭감과 대체를 위한 다양한 기반기술 확보를 위한 연구로서 진행 중이다.

○ 한편 본 합금계 및 대체계를 상용화할 때 까지 해결해야 할 주요과제로는 표면 Pd층의 일산 방지법 확립, 상분리 구조의 각부에 발생하는 응력의 완화, 압연 시의 이방성 해소를 통한 수소투과속도 향상 등이 있다. 막 반응기를 실용화하기 위해서는 수소분리기 모듈과 함께 보조장치를 포함한 시스템으로서의 내구성 및 운전안정성도 중요하다. 아울러 수소 에너지를 고효율로 이용하기 위해서는 수소 공급에서 이용까지를 포함하는 전체 인프라스트럭처의 종합적인 실시가 바람직하다.

저자: Takaya Iseki
자료유형: 학술정보