[논문]수소 분리를 위한 다공성 세라믹 분리막 소재의 연구 현황

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s.Pa (Pd 멤브레 인 대비 10%-20%)의 투과도를 갖는 세라믹 막을 제조하고 모듈화하여 천연가스의 스팀리포밍에 의한 수소제조 및 분리반응에 적용하여 Hydrogen fuel station, 연료전지의 소형 리포머, 석유화학산업의 고효율화 등에 응용하는 것이다.
또한 최근에는 비산화물계인 나노 기공구조를 가진 Sic 혹은 Si3N₄ 조성을 사용함으로써 600℃ 이상의 고온에서 반응과 동시에 수소를 분리하기 위한 연구가 시작되고 있다. 본 고에서는 재료연구소에서 기획과제로써 진행된 “나노 기공 재료의 응용 기술” 과제를 통하여 도출된 연구 분야인 수소 분리용 소재에 관하여 연구 현황을 중심으로 기술 분석을 실시한 결과의 일부를 정리하였다.

특히 탄화수소를 개질하여 수소를 제조하는 공정에 대한 많은 연구가 활발하게 진행 되고 있다.咨 탄화수소로부터 합성가스를 제조하는 공정을 보면, 아래의 반응식 (1), (2)와 같은 스팀개질 및 일산화탄소 수성반응을 통하여 고분자전해질용 연료전지(PEMFC)의 원료가스인 수소를 제조한다. 전체 반응은 반응식 (3)으로 표현할 수 있다

공보를 중심으로 조사되었다. Data base는 Key word 검색을 통하여 실시하였으며, 중복 건 수를 고려하여 최종 184건을 조사 대상 건으로 선정하였다. Key word 검색에 사용된 단어는 “hydrogen”, “separaiW, “membrane'', "purification", “reformed', “him" 등이다.
폴리머 실리카 층은 그런다음 400~800℃에서 하소 되며 이때 실리카 분리 층의 두께는 약 50~100nm이다. 실리카 졸은 TMOS, TEOS 등 알콕시실레인(alkoxysilanes) 과 클로로 실레인(chlorosilane)으로부터 제조된다.
이 project의 주 내용으로는 amorphous SiC, SiCBN, SiMO, ZrMO 등의 세라믹 멤브레인을 sol-gel, polymer pyrolysis, CVD 방법으로 500℃ 이상의 고온에서 IxlSmoVm .s.

그러므로 이와 같은 고온에서의 분리를 위해서는 기존에 많이 사용되어지고 있는 비정질 실리카, 제올라이트 등 보다는 비산화물 무기분리막인 탄화규소 및 질화규소가 고온에서 안정하며, 수소분리가 효율적일 것으로 판단된다.

일본, 미국 등의 선두 그룹이 상당한 기간 동안의 연구 개발 노하우를 갖고 있을 것으로 추정되나, 선두 그룹과의 Patent Power 격차가 아직은 크지 않다고 판단된다. 따라서, 경쟁력 있는 기술 개발 전략을 설정하여 노력한다면 향후 수년 내에 선두 그룹에 진입할 수도 있을 것으로 예상된다. 특히, 다공성 세라믹 분리 막 분야는 해당 특허가 많지 않은 만큼 이 분야에서 기술 혁신 과제를 선정하여 추진하는 것은 좋을 것으로 판단된다.

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