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비활성 기체의 노출에 의한 금속 합금막의 수소 투과 변화 연구
박태준(Taejun Park),이채현(Chaehyeon Lee),정은혜(Eunhyea Chung) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7
수소 에너지는 탈탄소 청정에너지로 각광받고 있다. 수소의 생산, 저장, 운반 관련 기술과 함께 수소 정제 기술에 대한 연구들이 다양하게 진행되고 있다. 수소 분리막은 분리 과정 중에 압력 손실이 없고 운영과 유지 보수가 간단하다는 장점이 있지만 주로 연구되는 팔라듐 합금막의 경제성이 없고 다른 금속막은 팔라듐 막에 상응하는 투과율을 얻을 수 없다는 난점이 있다. 때문에 다양한 합금막을 활용하여 수소의 투과율과 안정성을 높이는 연구가 진행 중이며 바나듐과 니켈은 높은 수소 투과율과 팔라듐과 유사한 촉매 작용으로 주목받고 있다. 바나듐-니켈 합금은 수소 용해도는 뛰어나지만 팔라듐 코팅 혹은 스윕 가스 없이 단독 활용 시 팔라듐 막에 비해 투과율이 낮고 단기간에 빠르게 저하된다는 단점이 있으며 바나듐의 높은 수소화합물 생성 양상이 주요 원인으로 지목되고 있다. 이를 방지하기 위해 수소 화합물 생성을 지연시키거나 수소화합물의 분해를 촉진시키는 공정에 대한 연구를 진행하고 있으며 본 연구에서는 고온에서의 비활성 기체 노출을 이용하여 바나듐-니켈 분리막의 수소 투과율을 회복시키고 그 기작을 연구하였다. 합금 분리막의 수소 투과율은 매 10분 간격으로 측정되었으며 총 5시간 투과를 진행하였고 그 후 섭씨 500℃에서 비활성 기체를 19시간, 43시간 노출시킨 후 수소 투과율을 다시 측정하는 방식으로 실험하였다. 분리막 전단의 수소의 압력은 4bar(a)이고 후단은 대기압으로 유지하였으며 스윕 가스는 사용하지 않았다. 측정 전과 후 분리막 전, 후당 모두 비활성 기체를 주입하였으며 후단은 아르곤, 전단은 질소와 아르곤을 비교 주입하여 비활성 기체의 효과를 연구하였다. 또한 비활성 기체의 노출 압력은 4 bar(a), 8 bar(a)로 실험하여 비활성 기체의 분압에 따른 투과율 회복 효과도 확인하였다. 전단에 질소 기체를 노출시킨 분리막의 경우 초기 실험에서 수소 투과율이 줄어든 후 비활성 기체의 노출 기간과 압력에 관계없이 유의미한 투과율의 회복이 관찰되지 않았다. 하지만 전단에 아르곤을 주입한 경우 투과율의 회복이 관찰되었으며 수소 투과 기간이 길고 주입 압력이 높을수록 더 높은 수준으로 투과율이 회복되었다. 8 bar(a)의 아르곤을 전단에 주입한 경우는 초기 투과도를 초과하는 투과율이 측정되고 시간에 따른 투과율의 저하도 단기간에 관측되지 않아 수소화합물의 탈착 외의 다른 기작도 함께 작용하여 투과율을 상승시킨다는 점을 추정할 수 있었다. 수소화합물의 생성과 수소의 투과는 모두 수소의 흡착으로부터 시작되기 때문에 일정량의 수소의 흡착 및 수소화합물 생성은 수소 투과에 필수적이며 이 과정을 적절히 조절할 수 있다면 수소의 금속 투과율을 장기간 유지할 수 있을 것이다. 아르곤과 질소는 둘 다 비활성 기체이지만 전자 배열의 차이로 수소 원자의 흡착에 미치는 전기적 영향이 다른 것으로 추정된다. 운동 지름은 질소가 아르곤에 비해 크지만 수소에 비해서는 두 기체 모두 월등히 크기 때문에 크기에 의한 영향은 적을 것으로 추정된다.