(1) 제품설명

본 기술은 혼합가스에서 수소만을 선택적으로 분리하는 금속계 수소 분리막을 적용하여 수소 정제 모듈을 개발하는 것으로 분리막을 이용한 수소 분리 공정의 원리는 단순하나, 엄밀하게 정의하면 기공의 크기를 미세하게 제어하여 수소 분자만을 통과시키고 다른 분자들의 통행을 막는 “체” (molecular sieve) 방식의 분리막은 세라믹이나 폴리머로 제작된 수소 분리막의 경우에 해당되며, 금속계 수소 분리막은 세라믹이나 폴리머로 구성된 수소 분리막과는 수소의 투과기구가 근본적으로 다르다.

금속계 수소 분리막은 수소를 분자 상태 ( H2 ) 로 통과시키지 않고 수소 원자상태 ( H ) 로 통과시키며, 원자상태의 수소는 금속의 격자간 자리  ( Interstitial site ) 를 통해 열적인 확산 ( Thermally activated diffusion ) 을 통해 투과한다. 격자간 수소 원자의 확산속도가 다른 격자간 불순물 원자들보다 훨씬 빠르기 때문에 금속 격자를 통과하는 수소의 플럭스가 다른 원자들에 비해 절대적으로 크며, 이것이 금속계 수소 분리막의 기본 원리입니다.

즉, 금속 격자내부를 통과하는 수소, 산소, 질소, 탄소의 확산 속도는 그 차이가 엄청나게 크며 200℃에서 300℃ 사이의 온도에서는 수소와 다른 원자들 간의 확산속의 차이가 약 10의 10승배 정도 차이가 나서 ( 즉 10000000000 배 차이 ) CO, CO2, O2 와 같은 기체 분자가 금속 표면에서 해리되어 이들 원자가 수소와 함께 확산하더라도 이들 분자가 금속 분리막을 통과할 확률은 수소에 비해 극히 낮다는 것을 의미합니다.

그러므로, 단순히 크기 차이에 의해 수소가스를 분리하는 분리막 ( 세라믹 분리막이나 폴리머 분리막이 이런 원리로 수소를 분리합니다. ) 에 비해 수소의 선택도에 있어서는 독보적인 위치를 금속분리막이 차지하고 있음을 알 수 있습니다. ( 수소순도 9 x 9 가능 )

이러한 기구에 근거하여 수소 분리막을 활용한 수소정제 모듈은 이미 1960년대부터 활용되었으나, 모든 수소 분리막은 팔라듐 ( Pd ) 계 금속 분리막을 채용하였고 팔라듐은 귀금속이므로 산업적으로 광범위한 응용은 제한되어 있었으나, 최근에 수소에너지에 대한 관심이 다시 높아지면서, 비팔라듐계 수소 분리막 개발과 함께 수소정제모듈 및 수소정제장치의 필요성이 대두되고 있으며 팔라듐을 제외한 다른 금속들 중에서 수소의 투과 성능이 우수한 금속들은 모두 심각한 수소 취성 ( Hydrogen embrittlement ) 문제를 갖고 있다. 팔라듐 대체 가능 물질로 인식되고 있는 니켈계 비정질 금속 소재와 바나듐-니켈 합금 소재 및 기타 가능성이 있는 금속분리막에 대한 수소투과 물성 및 기계적 안정성 측면에서의 고찰을 통하여 이들 소재를 활용한 실제 수소 정제 모듈을 개발하고 이 모듈을 채용한 수소정제장치를 개발이 필요하나 현재로서는 안정적으로 수소 투과 성능이 있는 것은 팔라듐 ( Pd ) 이 유일합니다.

금속 분리막을 이용한 수소 정제를 위하여서는 분리막을 이용하여 수소정제 모듈 ( 수소분리막 모듈 ) 을 고안하고 정제 모듈 내의 금속분리막 내부를 수소 원자가 확산하기 위하여서는 분위기/환경 조성이 필요하며 구체적인 사례로는 온도 250 ~ 350 ℃ , 압력 1기압 ~ 10기압의 분위기를 조성하는 수소정제장치가 필요합니다.

 

(2) 제품 종류

수소 분리막 ( Hydrogen Separation Membrane )

수소 분리막 모듈 ( Hydrogen Separation Membrane Module )

수소 분리막 장치 ( Hydrogen Separation Membrane Equipment )

 

(3) 제품 응용

금속분리막을 장착할 수 있는 수소정제 모률에 분리막을 장착하고 금속분리막의 이상적인 수소 투과의 환경을 만들어 ( 분위기온도/ 가스공급압력 ) 정제할 혼합가스를 공급하고 모듈 내의 수소 농도가 낮아질 때 내부의 낮은 수소 농도의 가스를 일정량 배출하고 새로운 혼합가스를 공급하는 등의 제어로 수소 분리막을 통하여 정제/분리되는 수소의 양을 계측하여 최적의 수소 정제 시스템을 구현할 수 있으며 이러한 최적의 시스템을 개발하고 확대 전개 ( 상용화 장치 ) 를 위하여서는 수소 분리막 및 평가시스템에서 하기의 성능에 대하여 사전 평가하고 확대를 위한 연계의 검토가 필요합니다.

(1) 수소분리막의 온도 의존성 : 온도 변화에 따른 수소투과량( 0 ~ 500 ℃)
(2) 수소분리막의 압력 의존성 : 압력 변화에 따른 수소투과량( 0.1 ~ 1 MPa )
(3) 면적에 따른 수소투과량( cc/min/Cm2 )
(4) 셀 내의 가스 배출/퍼지량에 따른 수소투과량
(5) 투과된 수소의 순도 측정 ( 별도의 가스분석기 필요)
(6) 수소분리막 셀 지그 구조 및 스택의 형태 연구
(7) 다른 장치와의 연계 검토 ( 응용 연구 )
     -. 수소정제장치로 전개 : 대량의 정제가 가능한 수소 분리막 모듈의 개발
     -. 수소발생장치로 전개 : 개질기 및 수전해와 연계
     -. 고압수소발생장치로 전개 : 전기화학적 수소펌프 ( 수소컴퓨레서 ) 와 연계
(8) 산업에 적용 검토
     -. 부생가스의 정제
     -. 개질가스의 정제
     -. CO2 분리 ( CO2 가 포함된 혼합가스에서 수소만 정제함으로 CO2 분리 )
     -. PSA ( Pressure Swing Absorb ) 정제방식의 대체
     -. 온사이트 ( On Site ) 수소발생장치
(9) 고순도 수소를 연료전지에 사용하면 개질기 가스를 사용하는 것과 비교하여
     수명 및 출력을 향상시킬 수 있습니다.
(10) 또는 초고순도로 정제된 수소가스 및 고순도 수소발생장치에서 발생된 수소가스는
       하기의 산업에서 부가가치가 있게 사용될 수 있어 사업화가 가능합니다.
       *. ICPMS 반응가스 ( ICP 분석기용 수소가스 )
       *. FID 연소가스
       *. Analytical instrument zero/carrier gas ( 분석장치 제로가스 및 케리어 가스 )
       *. GaN epitaxy ( 질화갈륨 성장 )
       *. Silicon carbide ( SiC ) epitaxy  ( 탄화규소 성장 )
       *. III/V and II/VI MOCVD ( Metal Organic 화학증착 )
       *. Photovoltaics ( 광전지 )
       *. Carbon nanotubes ( 카본 나노튜브 )
       *. Metallurgy ( 야금 )
       *. Fuel cells ( 연료전지 )
       *. Semiconductor    ( 반도체 )
       *. Fiber optic processes ( 광파이버 공정 )
       *. LED device manufacturing ( LED 소자 제조 )
       *. Crystal growth ( 크리스탈 성장 )
       *. Polysilicon manufacturing ( 폴리실리콘 제조 )
       *. LCD display processes ( LCD 디스플레이 제조 )
       *. Silicon & compound semi ( 실리콘 & 컴파운드 세미 )