청정수소 저가 생산시대 연다…고온 수전해 시스템 실증 성공

기계연, 20㎾급 연료극지지형 고체산화물 수전해 시스템 개발
외부 열원 연계 수소생산 전기효율 83%, 소비전력 15% 절감

기계연이 개발한 20㎾급 연료극지지형 고체산화물 수전해 시스템. 기계연 제공.

버려지는 외부의 폐열을 활용해 청정수소를 값싸게 생산할 수 있는 기술이 개발됐다. 기존 시스템 대비 전기효율과 수소 생산 단가를 낮춰 ㎏당 3000원으로 수소를 생산할 수 있는 기술적 기반을 마련했다.

한국기계연구원은 김영상 박사 연구팀이 국내 최초로 20㎾(킬로와트)급 연료극지지형 고체산화물 수전해 시스템의 설계·운전·평가에 대한 전 주기 기술을 검증, 고온 수전해 기술을 확보했다고 29일 밝혔다.

연료극지지형 고체산화물 수전해 기술은 약 700도 이상 고온에서 전기와 스팀을 이용해 수소를 생산하는 기술이다. 외부에서 스팀을 공급받으면 수소 생산에 필요한 전기량을 최소화할 수 있어 고효율·저비용 수소생산이 가능하다. 높은 온도에서 작동하기 때문에 고온 수전해라고 부른다.

연구팀은 외부에서 버려지는 200도급의 폐열을 활용해 스팀 발생을 위한 추가 전력 소모를 줄이고, 수소 생산 단가를 획기적으로 낮췄다. 외부의 폐열을 활용해 스팀을 자체 생산하는 기존 시스템 대비 전기효율을 10% 이상 높일 수 있어 대규모 산업단지나 제철·화학 플랜트 등 에너지 다소비 산업에 적용할 수 있다.

또한 산업 현장에서 버려지는 폐열과 원자력 발전, 재생에너지 등을 전기로 활용하면 기존 산업용 전기 대비 수소 생산 단가를 25% 이상 절감할 수 있다.

연구팀이 개발한 20㎾급 연료극지지형 고온 수전해 기술은 외부 열원과 연계할 경우 수소 생산 전기 효율이 저위 발열량(순 발열량) 기준 83%에 달하고, 시간당 6N㎥(노멀 입방미터) 이상의 수소를 생산할 수 있다. 기존 알칼라인 수전해나 고분자전해질(PEM) 수전해 등 저온 수전해 기술과 비교해 전력 소비량을 15% 이상 절감할 수 있다.

연구팀은 국내 최초로 20㎾급 고온 수전해 시스템을 3000시간 이상 안정적으로 운전하는 데 성공했다. 스팀 공급 불안정, 정전 등 다양한 이벤트 상황에서도 안정적으로 운전하며 높은 효율을 유지했다.

궁극적으로 1㎏당 수소 생산 비용 3000원을 달성할 수 있는 기반을 갖췄다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 앞으로 전기효율 85% 이상의 고온 수전해 시스템 설계 기술과 AI 기반 고온 수전해 스택 및 시스템 상태 진단, 수명예측기술 등을 개발해 상용화에 나설 계획이다.

김영상 기계연 책임연구원은 “주로 셀과 스택 수준에서 주로 연구되던 국내 연료극지지형 고온 수전해 기술을 시스템 단위로 확장해 검증한 국내 최초 사례”라며 “고효율·저비용 청정수소 생산이 가능한 고온 수전해 시스템 설계, 운전, 평가 기술을 확보했다는 데 의미가 크다”고 말했다.

기계연이 개발한 20㎾ 연료극지지형 고체산화물 수전해 시스템. 기계연 제공.

이준기 기자 bongchu@dt.co.kr