국내 연구진이 그린수소 생산 시장에서 우위를 선점할 세계 최고 수준의 고성능·고안정성 분리막을 개발했다. 이 기술은 국내 수요기업에 이전 돼 그린수소 생산 관련 전-후방 소재·부품·장비 산업 발전에 기여할 것으로 기대된다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남/이하 에기연) 수소연구단 조현석 박사 연구진은 알칼라인 수전해 장치의 수소 생산 밀도를 혁신적으로 향상시킬 수 있는 고성능·고안정성의 분리막을 자체 기술로 개발했다. 해외 상용 제품 대비 수소 생산 밀도는 3배 이상 향상시키면서 수소와 산소의 혼합에 의한 폭발 위험은 현저히 억제한 것이 기술의 핵심이다.

수소는 에너지산업뿐만 아니라 철강, 화학, 운송 등 산업 전반에 활용될 수 있어 수요와 중요도가 증가하고 있으며, 2035년 1.8억 톤, 2050년 6.5억 톤으로 전체 에너지 수요의 약 22%에 이를 것으로 보고 있다. 현재 생산 중인 수소의 대부분은 생산비용이 가장 저렴한 그레이수소지만 장기적으로는 기술개발을 통해 경제성이 확보된 그린수소가 증가할 전망이다.

그린수소 생산 기술 중 ‘알칼라인 수전해 기술’은 알칼라인 용액의 물을 분해해 수소를 생산하는 기술로 타 기술 대비 저가의 전극과 분리막 소재를 사용하고 기술적 성숙도와 장기 내구성이 높아 대용량의 그린수소를 생산하기에 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 단점을 극복했다. 미세 나노 기공 주변에 친수성 세라믹 입자들을 조밀하고 균일하게 분포하게 해 굴곡률은 높여 수소와 산소 혼입은 현저히 억제하면서도 조밀한 친수성 세라믹 입자를 따라 수산화 이온이 이동할 수 있는 경로가 극대화되는 효과로 인해 이온전도를 큰 폭으로 향상시켰다.

국내의 통상적인 수전해 장치는 0.4A/cm2 이하의 전류밀도에서 고위발열량 기준 80% 미만의 효율을 보인다. 이에 반해 연구진이 개발한 분리막을 단일 셀에 적용해 실제 알칼라인 수전해 장치 운전환경에서 평가한 결과, 전류밀도를 3배 높인 1.2A/cm2 이상에서도 80% 이상의 높은 효율로 수소 생산이 가능함을 확인해 기술의 우수성을 입증했다.

이와 함께 연구진은 실험실 규모에서 알칼라인 수전해 스택의 스케일-업(확대) 기술을 확보하고 검증할 수 있는 ‘평가 플랫폼’도 구축했다. 평가 플랫폼은 10kg/d 수소 생산까지 평가가 가능하게 설계됐으며, 수소방폭, 역화방지기, 가스정제기, 컨트롤러, 열교환기, De-oxo촉매 반응기 등을 구성해 실제 상용 수전해 시스템에 가깝게 구현했다.

연구진이 개발한 알칼라인 수전해 분리막과 스택 평가 플랫폼 기술은 GS건설(주)에 이전됐다. 수전해 기술의 상용화와 경쟁력 확보를 위한 분리막 기술을 국산화해 이룬 성과로 해외 선도 기업 대비 가격과 기술 경쟁력에서 우위를 선점했다는데 큰 의미가 있으며, 수전해 성능 평가 플랫폼 기술은 기술적 지원을 더해 수요기업의 그린수소 생산시스템 구축을 촉진하는 계기가 될 것으로 기대된다.

연구진은 현재 개발한 분리막을 900㎠ 면적으로 확대해 30kW급 알칼라인 수전해 스택에 적용해 평가 플랫폼에서 검증을 수행하고 있으며, 수요 기업과의 연계를 통해 2025년까지 MW급 상용 수전해 적용을 위한 ㎡ 면적의 스케일-업 기술개발 역시 수행 중이다.

연구책임자인 조현석 박사는 “현재 세계 각국에서는 그린수소 생산 기술의 경제성 확보를 위해 수소 생산 밀도를 향상시키는 핵심 소재와 기술 개발을 앞 다퉈 진행하고 있는 상황에서 이번 분리막 기술은 국내 자체 기술을 통해 그린수소 시장을 선도할 수 있는 경쟁력을 얻었다는 것에 의의가 있다”며 “국내 수전해 시장의 확장을 위해 현재 기술에 만족하지 않고 국내 수요 기업과 협력을 통해 핵심 소재와 부품 기술의 상용화가 꼭 필요하다”고 강조했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 수소에너지혁신기술개발사업과 공공연구성과 활용촉진 R&D 사업의 지원을 통해 2019년부터 지난 3년간 수행됐다. 

[용어설명]

■ 그린수소 - 태양광, 풍력 등 재생에너지로 생산한 전기를 이용해 물을 전기분해(수전해)해 생산함으로써 온실가스 배출이 전혀 없는 친환경적인 수소를 말한다.

■ 수전해 - 물을 전기분해해 분리막으로 이온을 이동시킴으로써 수소와 산소를 생성하는 전기화학적 기술로 세계 수전해 장치 시장 규모는 2020년 0.936GW, 2025년 5GW, 2030년 40GW로 급증할 것으로 예상된다. 수전해 기술 중 알칼라인 수전해 기술은 수산화나트륨이나 수산화칼륨과 같은 알칼리 전해액을 사용해 물을 수소 양이온(H+)과 수산화 음이온(OH-)으로 분리하는 기술이다. 

■ 그레이수소 - 천연가스를 개질해 생산하는 수소로 대량생산이 가능하고 생산원가가 저렴하지만 온실가스 다량 발생한다.

■ 고위발열량(Higher Heating Value, HHV) - 연료가 완전 연소했을 때 방출하는 열량으로 연소에 의해 생긴 수증기의 잠열을 포함한 값을 말한다. 총발열량이라고도 한다.