에너지연, 차세대 수전해 분리막 기술 개발…그린수소 시장 선점

30㎾급 알칼라인 수전해 스택 및 운전 장치. (에너지연 제공) /뉴스1

(대전ㆍ충남=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 그린수소 생산 시장에서 우위를 선점할 세계 최고 수준의 고성능, 고안정성 분리막을 개발했다.

한국에너지기술연구원은 수소연구단 조현석 박사 연구진이 알칼라인 수전해 장치의 수소 생산 밀도를 혁신적으로 향상할 수 있는 고성능, 고안정성의 분리막을 자체 기술로 개발했다고 4일 밝혔다.

이 기술은 해외 상용 제품 대비 수소 생산 밀도는 3배 이상 향상하면서 수소와 산소의 혼합에 의한 폭발 위험을 현저히 억제한 것이 핵심이다.

수소는 에너지 산업뿐만 아니라 철강, 화학, 운송 등 산업 전반에 활용될 수 있어 수요와 중요도가 증가하고 있다.

현재 생산 중인 수소의 대부분은 생산비용이 가장 저렴한 그레이수소지만, 장기적으로는 기술개발을 통해 경제성이 확보된 그린수소가 증가할 전망이다.

그린수소 생산 기술 중 알칼라인 수전해 기술은 알칼라인 용액의 물을 분해해 수소를 생산하는 기술로, 타 기술 대비 저가의 전극과 분리막 소재를 사용하고 기술적 성숙도와 장기 내구성이 높아 대용량의 그린수소를 생산하는 데 적합하다.

하지만 상용 분리막은 친수성 세라믹 입자의 분포가 불균일하고 미세구조가 치밀하지 않아 이온 전도도가 낮을 뿐만 아니라 수소와 산소의 혼합을 쉽게 억제할 수 없는 단점이 있다.

이에 연구진은 분리막 제작 조건의 최적화를 통해 40nm(나노미터) 크기의 미세 나노 기공으로 구성된 치밀한 다공성 구조 구현에 성공해 기존의 단점을 극복했다.

특히 미세 나노 기공 주변에 친수성 세라믹 입자들을 조밀하고 균일하게 분포하게 해 굴곡률을 높여 수소와 산소 혼입은 현저히 억제하면서 조밀한 친수성 세라믹 입자를 따라 수산화 이온이 이동할 수 있는 경로가 극대화되는 효과로 인해 이온전도를 큰 폭으로 향상시켰다.

국내 통상적인 수전해 장치는 0.4 A/㎠ 이하의 전류밀도에서 고위발열량 기준 80% 미만의 효율을 보이는 반면 연구진이 개발한 분리막을 단일 셀에 적용해 실제 '알칼라인 수전해 장치' 운전환경에서 평가한 결과 전류밀도를 3배 높인 1.2A/㎠ 이상에서도 80% 이상의 높은 효율 수소 생산이 가능하다.

이 밖에도 연구진은 실험실 규모에서 알칼라인 수전해 스택의 스케일-업(확대) 기술을 확보하고 검증할 수 있는 평가 플랫폼을 구축했다.

연구진이 개발한 알칼라인 수전해 분리막과 스택 평가 플랫폼 기술은 GS건설㈜에 이전됐다.

연구진은 현재 개발한 분리막을 900㎠ 면적으로 확대해 30㎾급 알칼라인 수전해 스택에 적용해 평가 플랫폼에서 검증을 수행하고 있다.

또 수요 기업과의 연계를 통해 2025년까지 ㎿급 상용 수전해 적용을 위한 ㎡ 면적의 스케일-업 기술개발을 수행 중이다.

조현석 박사는 “현재 세계 각국에서는 그린수소 생산 기술의 경제성 확보를 위해 수소 생산 밀도를 향상시키는 핵심 소재와 기술개발을 앞다투고 있는 상황에서 이번 분리막 기술 개발은 국내 자체 기술을 통해 그린수소 시장을 선도할 수 있는 경쟁력을 얻었다는 데 의의가 있다”며 “국내 수전해 시장의 확장을 위해 현재 기술에 만족하지 않고 국내 수요 기업과의 상보적 협력으로 핵심 소재와 부품 기술의 상용화가 꼭 필요하다"고 말했다.

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