수소를 암모니아에서 99.97% 고순도로 뽑아낸다

에너지기술연구원, 분해 반응기 국내 최초 개발
99.97% 이상 고순도의 수소 대량 생산 가능
반응기로 만든 수소를 '넥쏘'에 공급해 검증

한국에너지기술연구원 수소연구단 연구원이 암모니아 분해반응기의 운전데이터를 기록하고 있다. 에너지기술연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 암모니아에서 99.97% 이상의 고순도 수소를 뽑아내는 핵심기술을 개발했다. 연구진은 수소 추출 기술을 이용해 고효율 암모니아 분해 반응기를 만들었다. 암모니아 분해 반응기로 뽑아낸 수소를 현대자동차의 수소전기차 넥쏘에 공급해 실험한 결과, 50시간 동안 20㎾의 전력을 안정적으로 생산했다.

한국에너지기술연구원은 수소연구단 정운호 박사팀이 국내 최초로 수소생산용 가압형 암모니아 분해 반응기 개발에 성공했다고 11일 밝혔다.

또 연구진은 암모니아를 분해하는데 사용하는 촉매를 국산화했다. 이 촉매는 암모니아 분해 성능은 유지하면서 고가의 귀금속 사용량을 상용 촉매 대비 10분의 1 수준으로 줄였다.

연구진은 암모니아 기반 청정수소 산업의 활성화와 향후 대량의 암모니아 수입을 고려해 시간당 90㎏(1000N㎥)급 대용량 반응기 개발을 준비하고 있다.

암모니아는 수소 운송방법으로 고려되는 여러 방법중 하나다. 단위 부피당 수소 저장 밀도가 액화수소보다 1.7배 높아 대용량 저장이 가능하다. 또한 상온상압에서도 비교적 쉽게 액체로 되는 이점이 있고, 이미 국제적으로 운송 및 유통 인프라가 잘 갖춰져 있다.

연구진은 2018년부터 3년간 연구개발을 통해 벤치스케일 규모의 암모니아 분해용 촉매반응기를 완성했다. 이 반응기는 99.97% 고순도의 수소를 시간당 1.8㎏ 만들어냈다. 100시간 운전을 통해 각각의 구성요소들의 안정성 검증까지 완료했다. 이는 향후 그린수소를 대량으로 생산할 수 있음을 의미한다.

정운호 박사는 "향후 해외에서 암모니아 형태로 청정수소 수입때 이 기술로 경제적 수소를 공급할 수 있을 것"이라고 설명했다. 정 박사는 이어 "특히 암모니아 수소캐리어는 우리나라 뿐만아니라 일본, 호주, 유럽 등 전 세계적으로 큰 관심을 갖고 있어 대용량 실증만 완료된다면 국내 기술의 해외진출도 가능할 것"이라고 말했다.

이번 연구는 ㈜씨이에스, 현대자동차, 젠스엔지니어링, 한국과학기술연구원과 함께 진행했다.

에너지기술연구원 수소연구단이 암모니아 분해 반응기에 사용하는 금속구조체 촉매를 개발했다. 에너지기술연구원 제공

암모니아 분해용 촉매반응기의 공정은 3단계로 이뤄진다. 먼저 암모니아를 고온에서 질소와 수소로 분해한다. 다음에는 상온에서 남은 암모니아를 제거한 뒤 압력변동흡착(PSA) 공정에서 고순도의 수소만 분리해내는 것이다.

이 암모니아 분해 반응기는 버너를 중심으로 도넛모양 촉매가 채워진 8개의 반응기 튜브에 열을 가한다. 이렇게 되면 암모니아는 촉매를 거쳐 수소와 질소로 분해된다. 이때 각 반응기에 동일한 양의 암모니아를 공급하고 온도를 유지하는 것이 중요하다.

연구진은 자체 설계한 암모니아 분배기를 이용해 각 반응기에 암모니아를 균일하게 공급하고, 버너와 반응기의 간격과 위치 등 다양한 변수에 대한 실험을 통해 암모니아가 분해될 수 있는 최적의 조건을 이끌어냈다. 이와 함께 반응을 통해 분해된 고온의 분해가스는 열교환시켜 원료인 암모니아를 예열하는데 다시 이용해 분해 효율을 향상시켰다.

또한 구기영 박사가 국산화한 촉매 기술은 침전법을 기반으로 액상에 담긴 금속구조체 표면에 나노촉매를 직접 코팅한다. 이렇게 만든 촉매는 금속구조체에서 떨어져 나가는 박리현상을 억제해 내구성이 향상됐다.

암모니아 분해 수소생산 기술은 수소충전소, 연료전지 발전, 선박용 청정연료 적용 등 수소경제 전반에 기반 기술로 사용할 수 있을 전망이다.
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