액체수소

3. 수소의 스핀 이성질체

수소 분자는 각 원자핵(프로톤)의 핵 스핀 배향에 따라 오르토(ortho) 수소와 파라(para) 수소, 두 종류의 이성질체로 존재한다. 오르토 수소는 두 핵의 스핀이 평행한 상태이고, 파라 수소는 반평행한 상태이다. 파라 수소가 더 안정적이며, 액체 수소를 장기간 보관할 때 손실을 줄이기 위해 파라 수소로 변환하는 과정이 필요하다.

3. 1. 오르토-파라 변환

4. 용도

액체 수소는 높은 에너지 밀도와 친환경적인 특성으로 인해 다양한 분야에서 활용되고 있다.

액체 수소는 중성자 산란에 사용될 중성자를 냉각하는 데 사용된다. 중성자와 수소 핵은 비슷한 질량을 가지므로 상호 작용당 운동 에너지 교환이 최대이다.( 탄성 충돌) 과열된 액체 수소는 많은 거품 상자 실험에 사용되었다.

최초의 열핵무기인 아이비 마이크는 핵융합을 위해 중수소(수소-2)를 사용했다.

4. 1. 로켓 연료

4. 2. 대체 에너지 (수소 연료)

• 연료 전지: 수소는 산소와 결합하여 에너지와 물을 생성하며, 연료 전지는 이 반응을 이용해 전기를 생산한다. 다만, 현재 가정용 연료 전지는 천연 가스를 수증기 개질하여 수소를 추출하는 방식을 사용한다.
• 내연 기관 연료: 수소 자동차와 같이 내연 기관의 연료로 사용될 수 있다.
• 항공 연료: 액체 수소는 항공기의 무탄소 연료로 연구되고 있다. 그러나 체적 에너지가 낮아 연소에 필요한 수소의 부피가 크다는 단점이 있다.

4. 2. 1. 연료 전지

4. 2. 2. 내연 기관 연료

4. 2. 3. 항공 연료

5. 수소 연료의 과제

수소 연료는 친환경적인 에너지원이지만, 몇 가지 해결해야 할 과제가 있다.

수소 원자나 분자는 매우 작아 금속에 침투하여 수소 취성을 일으킬 수 있다.^[16] 이 때문에 스테인리스강 같은 일반적인 금속 용기에는 장기간 보관이 어렵다. 대한민국에서는 수소 취성이 일어나지 않는 재료, 수소 흡장 합금, 고압 수소용 CFRP 용기, 액화 수소 운반 및 보관 방법 등에 대한 연구 개발이 진행되고 있다.

수소는 산소가 없으면 연소하지 않아 순수한 상태에서는 발화하기 어렵지만, 산소와 혼합되면 쉽게 발화한다. 이는 가솔린과 마찬가지로 위험한 특성이므로, 수소 이용 시에는 충분한 안전 대책이 필요하다.^[16]

수소 연료의 제조, 유통, 소비를 위해서는 완전히 새로운 기반 시설 구축이 필요하다. 2023년 6월 기준 대한민국에서는 170곳의 수소 스테이션이 운영되고 있다.^[16] 수소 스테이션에는 가스 연료로부터 수소를 제조하는 방식과, 정유소나 화학 공장 등에서 제조된 수소를 수송하여 공급하는 방식 두 종류가 있다.^[17]

5. 1. 원료 및 제조

5. 2. 보관

5. 3. 가연성

5. 4. 유통

6. 성질

액체 수소는 순수한 산소 환경에서 연소될 경우 물만 생성한다. 그러나 대기 중에서 연소될 때는 높은 연소 온도로 인해 질소(N≡N) 결합이 파괴되어, 배기 가스 정화 없이는 유독한 질소 산화물(NOx)이 생성될 수 있다.^[10] 물은 환경에 무해한 것으로 간주되므로, 수소 연소 엔진은 "무배출"로 여겨지기도 한다. 하지만 항공 분야에서는 대기 중으로 배출되는 수증기가 지구 온난화에 영향을 줄 수 있다(CO₂보다는 덜함).^[11] 액체 수소는 가솔린, 천연 가스, 디젤보다 비에너지가 훨씬 높다.^[12]

액체 수소의 밀도는 70.85 kg/m³ (20 K에서)이며, 상대 밀도는 0.07에 불과하다. 비에너지는 다른 연료보다 두 배 이상 높지만, 에너지 밀도는 매우 낮아 다른 연료보다 훨씬 떨어진다.

액체 수소는 특수 단열 용기와 같은 저온 저장 기술이 필요하며, 모든 저온 연료에 공통적으로 요구되는 특별한 취급이 필요하다. 이는 액체 산소와 유사하지만 더 까다롭다. 단열 용기를 사용하더라도 낮은 온도를 유지하기 어려워 수소가 점차 누출될 수 있다(일반적으로 하루에 1% 비율).^[12] 또한 다른 형태의 수소와 마찬가지로 여러 안전 문제를 안고 있으며, 대기 중 산소를 액화 또는 고체화시킬 정도로 차가워 폭발 위험이 있을 수 있다.

수소의 삼중점은 13.81 K^[5], 7.042 kPa이다.^[13]

7. 안전

극저온으로 인해 액체 수소는 냉 화상의 위험이 있다. 수소 자체는 생물학적으로 비활성이며 기체 상태에서 인체 건강에 미치는 유일한 위험은 산소가 없을 때 질식, 공기와 혼합될 때의 높은 가연성 및 폭발 가능성이다. 액체 수소는 가연성이 높기 때문에 점화할 의도가 없는 한 열이나 불꽃으로부터 멀리 보관해야 한다. 주변 온도에서 기체 상태의 수소는 공기보다 가볍지만, 액체 상태에서 증발된 수소는 매우 차갑기 때문에 공기보다 무거워 가연성인 공기-수소 혼합물을 형성할 수 있다.^[1]

참조

_[1] 웹사이트 Thermophysical Properties of Hydrogen http://webbook.nist.[...] 2012-09-14
_[2] 웹사이트 Information specific to liquid hydrogen https://web.archive.[...] 2009-06-12
_[3] GESTIS GESTIS 007010 https://gestis.dguv.[...]
_[4] 웹사이트 We've Got (Rocket) Chemistry, Part 1 https://blogs.nasa.g[...] 2016-04-15
_[5] 웹사이트 IPTS-1968 http://media.iupac.o[...] 2020-01-01
_[6] 웹사이트 Liquid Hydrogen Delivery https://www.energy.g[...] 2022-07-30
_[7] 보고서 DOE Hydrogen and Fuel Cells Program Record: Energy requirements for hydrogen gas compression and liquefaction as related to vehicle storage needs https://www.hydrogen[...] United States Department of Energy 2009-10-26
_[8] 웹사이트 Liquefaction of "Permanent" Gases http://www.phys.ufl.[...] 2011
_[9] 서적 Cryogenic Engineering, Second Edition, Revised and Expanded https://books.google[...] CRC Press 2004
_[10] 학술지 Optimising air quality co-benefits in a hydrogen economy: a case for hydrogen-specific standards for NOx emissions 2021-07-22
_[11] 학술지 Greenhouse gas emissions assessment of hydrogen and kerosene-fueled aircraft propulsion 2008-11-10
_[12] 웹사이트 Hydrogen As an Alternative Fuel https://web.archive.[...] 2011-08-28
_[13] 서적 Fundamentals of thermal-fluid sciences McGraw-Hill 2004
_[14] 웹사이트 津江・中谷研究室研究紹介予冷ターボジェットエンジン http://park.itc.u-to[...] 2017-12-06
_[15] 웹사이트 極超音速旅客機技術 {{!}} 航空新分野創造プログラム（Sky Frontier） {{!}} JAXA航空技術部門 https://www.aero.jax[...] 2017-12-06
_[16] 웹사이트 水素ステーション一覧｜トヨタ自動車WEBサイト https://toyota.jp/mi[...]
_[17] 웹사이트 次世代自動車振興センター 水素ステーション整備状況 http://www.cev-pc.or[...]
_[18] 웹사이트 オルト水素、パラ水素とは？液化水素プラントの設計で知っておくべき物性について https://yuruyuru-pla[...] 2023-02-28
_[19] 웹사이트 用語解説　パラ水素とオルソ水素 https://rdreview.jae[...] 2023-02-28
_[20] 웹사이트 〈研究例紹介〉液化水素用水素分子核スピン転換触媒の開発 https://labs.eng.hok[...] 2020-06-10
_[21] 웹사이트 ｵﾙｿ水素とﾊﾟﾗ水素 https://klchem.co.jp[...] 川口液化ケミカル株式会社 2023-02-28