[인더스트리뉴스 정한교 기자] 정부는 지난 2018년 3대 전략투자 대상에 ‘수소경제’를 선정하고, 수전해 등 재생에너지와의 연계를 통해 수소를 생산하는 그린수소생산 원천기술 확보에 집중 투자·육성할 것을 발표했다.

온실가스가 배출되지 않는 물을 이용한 ‘그린 수소’로의 패러다임 전환을 정부가 추진하고 있는 가운데 최근 국내 연구진이 재생에너지를 이용해 안정적이며, 고효율로 수소를 생산할 수 있는 ‘부하변동 대응형 수전해 스택’ 개발에 성공했다. [사진=dreamstime]

수소는 자연에 존재하는 가장 풍부한 원소지만, 자체로 존재하기 보다는 석유·석탄·천연가스 등 화석연료나 물 등 화학성분으로 존재하기 때문에 이들로부터 추출해야 한다. 화석연료에서 추출된 수소는 온실가스가 동시에 다량 배출돼 일명 ‘그레이(Grey) 수소’라 불리고 있다.

이에 정부는 ‘수소경제 활성화 로드맵’에서 온실가스가 배출되지 않는 물을 이용한 ‘그린(Green) 수소’로의 패러다임 전환을 추진하고 있다. 이러한 가운데 최근 국내 연구진이 수소경제의 성공적 이행을 위한 핵심기술인 ‘재생에너지와 직접 연동 가능한 고효율 수전해 핵심기술’을 개발하며, 이목을 집중시키고 있다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 수소연구단 김창희 박사와 그의 연구진은 태양광, 풍력 등과 같이 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지를 이용해 안정적이며, 고효율로 수소를 생산할 수 있는 ‘부하변동 대응형 수전해 스택’ 개발에 성공했다고 6월 17일 밝혔다.

물을 전기분해해 수소를 얻는 기술인 수전해는 고순도(99.999%)의 수소를 친환경적인 방법으로 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 그러나 고가의 전력비용이 발생한다는 단점도 보유하고 있다.

김창희 박사 연구진은 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지가 공급되더라도 내구성과 효율이 높은 전극과 분리막을 자체 개발, 이 스택기술을 통해 수전해 시스템을 모듈화하는데 성공했다. [사진=한국에너지기술연구원]

기존의 경우 재생에너지를 활용해 수소를 생산하면, 저전류 밀도 운전(0.2~0.4A/cm2)으로 수소 생산 밀도가 낮고, 부하 대응성(20~100%)이 낮았다. 이러한 불안정한 전력 부하로 인해 수전해 시스템 성능이 빠르게 나빠지는 문제가 발생했다.

또한, 기상 조건 변화로 재생에너지가 수전해 시스템에 부하 대비 0~20% 정도로 적게 공급되면, 수소와 산소가 섞인 혼합가스가 가연성 한계에 쉽게 도달해 폭발위험이 있었다.

이에 연구진은 이번 연구개발을 통해 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지가 공급되더라도 내구성과 효율이 높은 전극과 분리막을 자체 개발했다. 이 스택기술을 통해 수전해 시스템을 모듈화하는데 성공한 것이다.

수전해 분리막은 미세구멍의 정밀제어 및 친수성을 향상시켜 상용제품(Zirfon UTP500, Agfa사) 대비 가스혼합을 3배 이상 억제하면서도 3배 이상 높은 이온전도성을 갖는 고안정성·고이온전도성 분리막 합성기술을 확보했다.

수전해 전극은 부하변동 운전에 대한 내구성 확보를 위해 전이금속 촉매보다 반응성이 큰 망간, 또는 크롬을 첨가해 촉매 수명을 향상하는 효과를 얻을 수 있었다.

연구진은 ‘부하변동 대응형 수전해 스택’을 이용해 부하변동 시 발생할 수 있는 가스혼입 및 전극 효율 문제도 해결해 보다 넓은 출력범위(5~110%)의 연계 운전이 가능하도록 설계했다. [사진=한국에너지기술연구원]

연구진은 이 기술을 통해 수소생산 효율을 82% 이상까지 끌어올렸다. 부하변동 시 발생할 수 있는 가스혼입 및 전극 효율 문제도 해결해 보다 넓은 출력범위(5~110%)의 연계 운전이 가능하도록 설계했다.

부하변동 대응형 수전해 스택기술은 순수 국내 기술로, 수소경제 사회 구현을 위한 그린수소생산의 길을 앞당겼다는 것에서 큰 의미가 있다. 또한, 향후 2022년에 예정된 새만금 등 대단위 재생에너지 단지에서 국내 수전해 기술로 대량의 그린수소생산을 통해 정부의 수소경제 활성화에 기여하고, 수소산업 관련 전·후방산업 육성 및 확대에 미치는 파급효과가 클 것으로 기대를 모으고 있다.

이번 연구의 책임자인 김창희 책임연구원은 “부하변동 대응형 수전해 기술 개발을 통해 우리나라가 진정한 수소경제로 정착하는데 매우 중요한 역할을 하게 될 것으로 전망한다”며, “해외 선도국의 수전해 기술과 경쟁하기 위해 고성능·고내구 전극과 분리막 등 핵심 부품소재 요소기술과 MW급 스택 스케일업 설계 기술 모두 확보할 필요가 있다”고 강조했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 기후변화대응기술개발사업, 수소에너지혁신기술개발사업의 일환으로 2015년부터 약 5년간 진행되고 있다. 지난 5월 25일에는 한국에너지기술연구원 대전 본원에서 ‘부하변동 대응 수전해 스택 설계 기술’로 국내 수요기업과 기술이전 계약 체결식을 진행했다.

[정한교 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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