수소 순도 모니터링이 필요한 이유는 무엇일까요? 생산, 저장 및 운송을 위한 솔루션입니다.

수소는 정유, 연료 전지, 반도체 제조, 암모니아 생산 및 친환경 에너지 분야에서 에너지 전달에 필수적인 요소입니다. 안전성, 신뢰성 및 비용 측면에서 수소 순도 관리는 매우 중요합니다. 수분, 산소, 질소, 황 화합물 및 탄화수소가 존재할 경우 수소 연료 전지, 촉매 및 제품에 손상을 줄 수 있습니다. 이러한 불순물은 연료 전지의 효율을 저하시키고 부식을 유발하여 제품 품질을 떨어뜨릴 수 있습니다.

시스템이 고장 나거나 규제 기준을 준수하지 못하게 될 때까지 많은 상황이 제대로 파악되지 않고 넘어가는 경우가 많습니다. 수소의 생산, 저장 및 운송은 공정 안전과 품질 기준을 유지하기 위해 지속적인 순도 모니터링에 의존합니다. 업계에 존재하는 수많은 기준들 때문에 경제적으로 안전하고 효율적인 수소 생산을 위해서는 가스 분석이 필수적입니다.

수소 순도란 무엇일까요? 표준 및 불순물 정의

수소 순도를 논할 때 단순히 수소 가스 생산량의 최대치를 언급하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 에너지 및 산업 분야에서 수소 순도는 H₂ 함량의 백분율만을 의미하는 것이 아닙니다. 극미량의 불순물, 심지어 백만 분의 1 수준의 불순물이라도 공정을 방해하고 제품 품질을 저하시키며 시스템 성능을 떨어뜨릴 수 있습니다. 연료 전지 멤브레인 손상, 촉매 오염, 부식 발생 가능성 증가, 공정 효율 저하 등은 모두 백만 분의 1에서 십억 분의 1 수준의 불순물로 인해 발생할 수 있습니다.

이는 연료 전지 자동차, 반도체, 전력 및 암모니아 생산과 같이 높은 가스 순도가 요구되는 응용 분야에서 매우 중요합니다. 이러한 분야에서는 가스 순도가 시스템 기능의 신뢰성에 직접적인 영향을 미칩니다. 수소 인프라가 확장됨에 따라 가스 순도 관리 및 모니터링 기술은 수소 시스템의 주행 거리 제어 및 안정성 확보에 필수적인 요소가 되었습니다.

국제표준화기구(ISO) 14687 및 SAE J2719는 연료전지 시스템에 사용되는 수소의 허용 불순물 한계를 정의합니다. 이 국제 표준에서는 일산화탄소(CO), 황, 수분, 미립자 등 유해 물질의 존재로 인한 연료의 품질 및 일관성 변화 한계를 규정하고 있습니다.

일반적인 수소 불순물 및 그 발생원

수소 생산 및 취급 방법에 따라 오염 위험이 달라집니다. 가장 흔한 불순물은 다음과 같습니다.

• 일산화탄소(CO): 증기 메탄 개질 및 부분 산화 공정에서 흔히 발생합니다. 미량이라도 연료 전지 촉매를 손상시킬 수 있습니다.
• 이산화탄소(CO2): 개질 및 정제 시스템에서 종종 유입됩니다.
• 수증기(H2O): 전기분해, 저장 탱크, 파이프라인 또는 압축 시스템에서 발생하는 잔류 수분.
• 메탄(CH4): 일반적으로 불완전한 개질이나 천연가스 원료 오염과 관련이 있습니다.
• 황화수소(H2S): 황을 함유한 원료를 통해 유입되며 촉매에 심각한 손상을 일으킵니다.
• 질소(N2) 및 산소(O2): 일반적으로 보관, 운송 또는 시스템 유지 보수 중 공기 유입으로 인해 발생합니다.
• 탄화수소: 윤활유, 압축기 또는 상류 공정 오염에서 발생할 수 있습니다.
• 미립자: 파이프라인, 밸브 또는 저장 용기에서 발생하는 녹, 먼지 및 마모 입자.

오염 위험은 생산 방식에 따라 다릅니다. 전기분해 시스템은 주로 습기와 산소 오염에 취약한 반면, 개질 기반 수소 생산은 탄소 산화물, 메탄 및 황 화합물에 더 취약합니다. 저장 및 운송 중에는 밀봉 불량, 호환되지 않는 물질 또는 제대로 관리되지 않은 이송 시스템을 통해 불순물이 유입될 수 있습니다.

주요 수소 순도 기준

ISO 14687

ISO 14687은 양성자 교환막 연료전지 차량에 사용되는 수소 연료의 품질에 관한 국제 표준입니다. CO, 황 화합물, 암모니아, 수분 및 미립자는 주요 연료전지 오염물질이며, 이 표준은 이러한 오염물질의 사용에 대한 규정된 제한치를 명시하고 있습니다. ISO 14687은 양성자 교환막 연료전지 차량에 사용되는 수소 연료의 품질에 대한 국제 표준으로, CO, 황 화합물, 암모니아, 수분 및 미립자를 포함한 주요 오염물질에 대한 의무적인 제한치를 설정합니다.

SAE J2719

SAE J2719는 특히 북미 지역을 중심으로 자동차 산업용 연료 전지에 사용되는 고품질 수소의 규격을 명시하고 있습니다. 또한, 전 세계적인 일관성을 확보하고 시장 간 협력을 지원합니다.

산업별 순도 요구사항

많은 산업 분야에서는 공정 민감도에 따라 추가적인 수소 순도 규격을 적용합니다. 특히 용광로의 경우, 스케일 형성을 방지하기 위해 산화성 불순물 함량이 낮아야 합니다.

수많은 수소 품질 기준이 존재하지만, 항상 고객의 안전, 기능성 및 보호에 중점을 둡니다. 지속적인 보호와 무결성 보장을 위해서는 이동 및 유지 관리되는 모든 수소 시스템에 대해 지속적이고 정확한 가스 평가 및 분석을 시행하는 것이 유일한 방법입니다.

수소 순도를 모니터링해야 하는 이유는 무엇일까요? 주요 영향은 무엇일까요?

수소 시스템은 모든 종류의 오염에 취약합니다. 미세한 불순물조차도 운영 효율을 저하시키고, 비용을 증가시키며, 안전 위험을 초래하고, 중요한 기반 시설을 손상시킵니다. 이는 수소 생산, 저장 및 운송의 모든 측면에 적용됩니다.

수소 기술에 대규모 투자를 하는 모든 산업 분야에서 수소 순도 모니터링은 장기적인 성능과 신뢰성을 보장하는 명확하고 직접적인 방법입니다.

1. 연료 전지 열화 및 성능 저하

연료 전지는 어느 정도 높은 수준의 수소 순도를 요구합니다. 일산화탄소와 황화수소 같은 오염 물질은 연료 전지의 백금 촉매를 손상시킵니다. 이는 촉매 활성을 저하시키고 전지의 수명을 단축시킵니다. ISO 14687에 따른 연구에 따르면 촉매 손상은 PEM 연료 전지 시스템에서 가장 중요한 작동 위험 요소 중 하나입니다.

습기, 할로겐화물 및 미립자 또한 PEM 열화에 영향을 미칩니다. 이는 막을 통한 이온 전도도를 점진적으로 감소시켜 스택 효율을 저하시킵니다. 실제 작동 환경에서는 백만 분의 1 수준의 오염조차도 셀과 스택의 열화를 초래하는 예상되는 결과입니다.

수소 연료 전지 사용자 및 운영자, 특히 차량 측면에서 볼 때, 불순물이 성능 저하, 스택 가동 중단 및 값비싼 교체로 이어지는 것은 절대 용납할 수 없습니다.

2. 장비 손상 및 시스템 오류

수소 불순물은 연료 전지에만 영향을 미치는 것이 아닙니다. 파이프라인, 압축기, 밸브 및 저장 시스템 전반에 걸쳐 마모를 가속화합니다.

• 습기와 산성 가스는 파이프라인과 저장 용기 내부의 부식을 증가시킵니다.
• 황 화합물은 수소 처리 과정에 사용되는 촉매와 금속 표면을 손상시킵니다.
• 녹이나 기계적 마모로 생성된 미립자는 밸브를 막고 밀봉재를 손상시킬 수 있습니다.
• 특정 불순물은 수소 취성을 악화시켜 시간이 지남에 따라 금속 부품을 약화시킬 수 있습니다.

대규모 수소 인프라에서 이러한 문제들은 눈에 띄는 고장이 나타나기 전에 시스템의 안정성을 점진적으로 저하시킬 수 있습니다.

실제 사례에서 순수성 실패 사례

연료전지 차량 오염 : 기준치를 벗어난, 이산화탄소 함량이 높은 수소를 공급하는 수소 충전소는 오염이 감지되기 ​​전에 여러 대의 연료전지 차량의 성능을 저하시킬 수 있습니다. 그 결과 연료전지 효율이 떨어지고, 진단 비용이 많이 들며, 전체 차량에 걸쳐 연료전지 스택 교체 비용이 발생합니다.

산업 촉매 중독 : 정유 공장이나 암모니아 생산 시스템에서 황 오염은 촉매를 중독시켜 생산 주기를 중단시킬 수 있습니다. 단기 노출조차도 촉매 재생 또는 완전 교체를 필요로 할 수 있으며, 이는 계획되지 않은 가동 중단과 생산 손실로 이어집니다.

3. 불순물이 포함된 수소의 안전 위험

수소는 인화 범위가 매우 넓기 때문에 취급 시 적절한 주의와 관리가 필요합니다. 누출이나 부적절한 밀봉으로 산소가 수소와 섞이면 가연성 가스 혼합물이 형성될 수 있습니다. 이러한 혼합물에 점화원이 있으면 폭발 위험이 발생합니다.

또한 수소 흐름에는 CO 또는 H2S와 같은 다른 가스가 포함될 수 있으며, 이러한 가스는 독성이 있어 수소 흐름의 저장, 운송 및 유지 관리 중에 상당한 안전 위험을 초래할 수 있습니다.

수소의 경우, ISO 14687과 같은 순도 기준을 준수하지 않으면 주유소, 산업 시설 및 에너지 사업자에게 위험이 증가합니다. 최신 ISO 14687 규격은 안전 및 연료 전지 호환성을 위한 수소 연료 품질 요구 사항을 더욱 강화하고 있습니다 .

4. 경제적 비용 및 운영 비효율성

순도 문제는 장비 고장이 눈에 띄게 나타나기 훨씬 전에 숨겨진 운영 비용을 발생시키는 경우가 많습니다.

불순물의 숨겨진 비용을 정량화하기

수소 품질이 낮으면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있습니다.

• 유지보수 빈도 증가
• 촉매 및 멤브레인의 조기 교체
• 파이프라인 및 구성 요소 부식
• 생산 중단 시간
• 민감한 산업 분야에서 제품 품질 저하
• 공정 효율 저하로 인한 에너지 소비량 증가

반도체 생산이나 연료 전지 기술과 같은 분야에서 발생하는 사소한 오염조차도 전체 생산 라인을 마비시킬 수 있습니다.

순도 모니터링의 투자 수익률(ROI)

수소 순도를 지속적으로 모니터링하면 운영자는 규정 준수 실패로 인한 비용과 오염이 감지되지 않아 발생하는 시정 조치 비용을 절감할 수 있습니다. 가스 분석기 및 모니터링 시스템의 비용은 연료 전지 교체 비용, 생산 중단 시간 또는 설비 손상 비용보다 거의 항상 저렴합니다.

전 세계적으로 수소 생산 및 유통 네트워크가 구축됨에 따라 수소의 순도 관리는 핵심 운영 제어 전략의 중요한 부분으로 자리 잡고 있습니다. 지속적이고 정확한 모니터링은 시스템의 운영 신뢰성을 확보하고 안전 수준을 높이며 수소 가치 사슬 전반에 걸쳐 경제적 성과를 크게 향상시킵니다.

용도별 순도 요구사항

산업 분야별로 수소 순도 요구 조건이 다릅니다. 산업용 난방의 경우 연료 전지나 반도체 제조에 비해 순도 요구 조건이 덜 엄격합니다. 적절한 수소 순도를 달성하는 것은 이물질에 대한 민감도, 장비의 예상 수명, 그리고 운영 지침에 따라 결정됩니다.

수소 순도를 높이려면 정제 및 모니터링 비용이 증가하므로 그에 따른 비용이 발생합니다. 운영자는 순도 목표와 운영 성능 및 비용 사이에서 균형을 맞춰야 할 책임이 있습니다.

수소 과정제 비용은 명백하지만, 불순물로 인한 위험성 또한 간과해서는 안 됩니다. 불순물은 궁극적으로 장비 손상, 효율 저하, 나아가 규정 위반으로 이어질 수 있기 때문입니다.

주요 응용 분야 전반에 걸친 수소 순도 요구 사항

연료 전지 시스템은 오염 물질이 촉매 활성과 멤브레인 수명에 직접적인 영향을 미치기 때문에 수소 응용 분야 중 가장 민감한 분야로 남아 있습니다. 예를 들어, 미량의 CO 농도조차도 시간이 지남에 따라 PEM 연료 전지의 효율을 크게 저하시킬 수 있습니다. 반도체 제조 또한 제품 오염 및 공정 불안정을 방지하기 위해 극도로 낮은 수분 및 산소 농도를 요구합니다.

운영 요구사항에 맞춘 순도 수준

수소 순도 요구사항을 정의할 때는 항상 최종 사용 용도를 기준으로 삼아야 합니다. 생산 방식, 저장 조건, 운송 인프라 및 시스템 민감도 모두 최종 수소 품질 사양에 영향을 미칩니다.

체계적인 순도 평가 프로세스를 통해 운영자는 다음을 파악할 수 있습니다.

• 요구되는 수소 순도 등급
• 가장 중요한 오염 물질
• 권장 모니터링 지점
• 적합한 정화 기술
• 대상 산업에 대한 규정 준수 요건

수소 인프라가 지속적으로 확장됨에 따라, 운영 신뢰성, 안전성 및 비용 효율성의 균형을 맞추기 위해서는 용도별 순도 관리가 필수적입니다.

수소 순도 관리를 위한 가치 사슬 전반에 걸친 솔루션

수소 순도를 유지하려면 단계별 접근 방식이 필요합니다. 오염은 생산, 저장, 압축 또는 운송 과정에서 발생할 수 있으므로, 순도 관리는 적절한 정제 기술, 재료 선택 및 수소 가치 사슬 전반에 걸친 지속적인 모니터링을 결합해야 합니다.

1. 수소 생산: 오염원 제어

수소 생산 방식에 따라 생성되는 불순물의 종류가 다르기 때문에 정제 시스템은 공정 및 목표 적용 분야에 따라 선택해야 합니다.

전기분해 시스템(PEM, 알칼리, SOEC)

전기분해 기반 수소 생산은 일반적으로 산소 혼입, 잔류 수분, 전해액 혼입과 같은 문제에 직면합니다. 이러한 불순물을 제어하지 못하면 후속 압축 시스템, 저장 용기 및 연료 전지 응용 분야에 영향을 미칠 수 있습니다.

일반적인 해결책은 다음과 같습니다.

• 수분 제거용 기체-액체 분리기
• 낮은 이슬점 제어를 위한 멤브레인 건조기 및 PSA 건조기
• 산소 제거용 촉매 재조합기
• 초고순도 응용 분야를 위한 촉매 변환기 또는 게터 물질을 사용하는 수소 정화 장치

특히 PEM 전해조는 산소 농도의 미세한 차이만으로도 안전 및 순도 문제가 발생할 수 있으므로 세심한 산소 모니터링이 필요합니다.

증기 메탄 개질(SMR) 및 ATR 시스템

SMR 및 ATR 방식으로 생산된 수소는 일반적으로 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄 및 황 화합물의 농도가 더 높습니다.

순도 관리에는 일반적으로 다음이 포함됩니다.

• 이산화탄소(CO₂) 수준을 낮추기 위한 수성가스전환(WGS) 반응기
• 아민 스크러빙과 같은 CO2 제거 시스템
• 고순도 수소 회수를 위한 압력 스윙 흡착(PSA) 시스템
• 미량의 CO 및 CO2 제거를 위한 메탄화 장치
• 촉매 및 하류 설비를 보호하기 위한 탈황 장치

PSA 시스템은 압력 순환 조건에서 흡착제를 사용하여 분자 수준에서 불순물을 선택적으로 분리하기 때문에 가장 널리 사용되는 대규모 수소 정제 기술 중 하나로 남아 있습니다.

바이오매스 가스화 및 열분해

바이오매스를 이용한 수소 생산은 타르, 미립자, 암모니아, 황 화합물, 탄소 산화물 등과 같은 추가적인 오염 물질을 발생시킵니다.

효과적인 정화에는 다음과 같은 사항이 포함되는 경우가 많습니다.

• 고온 가스 정화 시스템
• 미립자용 세라믹 필터
• 촉매 타르 분해
• 탈황 기술
• 최종 수소 정제를 위한 PSA 정제

생산 경로 및 불순물 구성에 따라 정제 기술을 선택하면 불필요한 처리 비용을 피하면서 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

2. 수소 저장: 재오염 방지

정제 후에도 오염 방지 조치가 미흡할 경우 저장 중에 수소 품질이 저하될 수 있습니다.

주요 저장 고려 사항

• 압축기는 윤활유 오염물질과 미립자를 유입시킬 수 있습니다.
• 재료 호환성이 좋지 않으면 가스 방출이나 부식이 발생할 수 있습니다.
• 용기를 제대로 건조하고 불활성화시키지 않으면 습기와 산소가 침투할 수 있습니다.
• 사각지대가 있거나 유량 설계가 부실한 저장 시스템은 시간이 지남에 따라 오염 물질이 축적될 수 있습니다.

수소 저장 용기는 수소 저장에 적합한 특수 등급의 강철이나 복합재 탱크와 같은 재질을 사용해야 합니다. 장기간 저장 시 순도를 유지하려면 적절한 건조, 불활성 가스 퍼징 및 밀봉 유지 관리 또한 필수적입니다.

3. 수소 운송: 운송 중 순도 유지

운송 시스템은 새로운 오염 물질을 유입시키지 않고 생산지에서 최종 사용자까지 수소 품질을 유지해야 합니다.

파이프라인 운송

수소 파이프라인은 특히 기존 천연가스 인프라를 전환할 때 순도 측면에서 여러 가지 문제에 직면합니다. 주요 위험 요소는 다음과 같습니다.

• 내부 부식
• 이전 가스 공급으로 인한 잔류 오염
• 유지보수 중 공기 유입
• 재료 열화 및 누출

수소의 순도를 유지하려면 철저한 파이프라인 세척, 건조 절차, 누출 감지 시스템 및 정기적인 가스 품질 모니터링이 필요합니다. 일반적으로 수소 전용 파이프라인은 천연가스 파이프라인을 개조한 것보다 장기적인 순도 관리 측면에서 더 우수합니다.

튜브 트레일러 및 탱크로리

운송 트레일러는 이전 적재물의 불순물을 보유하거나 밀봉 장치, 밸브 및 압축기 시스템을 통해 오염 물질을 유입시킬 수 있습니다.

모범 사례는 다음과 같습니다.

• 수소 전용 운송 장비
• 엄격한 정화 및 청소 절차
• 씰 및 밸브의 정기 점검
• 제어된 충전 및 이송 작업

액화수소(LH2) 운송

액화수소 시스템은 극저온 조건으로 인해 이송 및 저장 중 오염에 대한 민감도가 높아질 수 있으므로 추가적인 순도 관리가 필요합니다.

일반적인 해결책은 다음과 같습니다.

• 냉장 보관함 정화 시스템
• 수분 및 산소 제거 기술
• 공기 유입을 최소화하기 위한 제어된 극저온 이송 절차

모든 운송 방식에 걸쳐, 여러 이송 지점에서 수소 품질을 검증하고 용도별 순도 기준을 준수하려면 신뢰할 수 있는 샘플링 및 모니터링 전략이 매우 중요합니다.

모니터링 기술: 순도 검증 도구

정확한 수소 순도 모니터링은 목표 불순물, 응답 시간 및 적용 환경에 적합한 분석 기술을 선택하는 데 달려 있습니다.

온라인 모니터링 vs. 오프라인 모니터링

온라인 모니터링은 공정 흐름 내에서 지속적인 실시간 측정을 제공합니다. 이를 통해 작업자는 오염을 즉시 감지하고 순도 문제가 장비 또는 안전에 영향을 미치기 전에 대응할 수 있습니다. 이러한 시스템은 수소 생산 공장, 주유소 및 운송 네트워크에서 널리 사용됩니다.

오프라인 실험실 분석은 분석 정밀도가 더 높고 극미량의 불순물까지 감지할 수 있지만, 가스 샘플링 및 실험실 테스트가 필요하기 때문에 결과가 나오는 데 시간이 더 오래 걸립니다.

수소 순도 모니터링에 사용되는 핵심 기술

• 가스 크로마토그래프(GC) : CO, CO2, CH4, O2, N2 및 탄화수소를 포함한 불순물 분석에 사용됩니다. 높은 정확도가 요구되는 산업 분야에서 널리 사용됩니다.
• 레이저 분광법(TDLAS): 수분, CO, CO2 및 황 화합물을 빠르고 매우 민감하게 검출합니다.
• 전기화학 센서: 공정 안전 및 순도 관리 시스템에서 산소, CO, H2S를 지속적으로 모니터링하는 데 일반적으로 사용됩니다.
• 열전도도 검출기(TCD) 수소의 열전도도 변화를 감지하여 수소 순도를 측정하는 데 일반적으로 사용됩니다 .
• 수분 분석기 및 이슬점 분석기 수소 저장, 파이프라인 및 극저온 시스템의 수증기 모니터링에 필수적 입니다 .
• 입자 계수기: 반도체 제조 및 연료 전지 시스템과 같은 초고순도 응용 분야에 필수적입니다.

신뢰할 수 있는 모니터링은 정기적인 센서 교정, 적절한 샘플링 방법, 그리고 분석기 정기 유지보수에 달려 있습니다. 아무리 첨단 모니터링 시스템이라도 교정 및 공정 조건 관리가 제대로 이루어지지 않으면 부정확한 결과를 초래할 수 있습니다.

결론: 수소 미래의 건전성 확보

수소 순도는 오늘날 수소 시스템의 안전성, 효율성 및 신뢰성에 매우 중요합니다. 생산, 저장, 운송 및 응용 분야에 이르기까지 모든 단계에서 미량의 오염 물질조차 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 오염 물질은 연료 전지 성능을 저하시키고 시스템을 손상시켜 운영 비용을 증가시킬 수 있습니다.

수소 순도 관리는 수소 가치 사슬 전반에 걸쳐 핵심적인 역할을 할 것입니다. 에너지, 모빌리티, 산업 분야에서 수소 시스템이 성장함에 따라 수소 순도의 중요성도 커지고 있습니다. 첨단 정제 시스템, 정밀 가스 분석기, 그리고 지속적인 모니터링 기술은 운영자가 규정을 준수하고 시스템과 가치 사슬을 보호하는 데 도움을 줍니다.