광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 강상규 기계공학부 교수팀이 최적의 수소 생산효율을 갖는 알카라인 수전해 시스템 압력 영향을 분석·규명했다고 8일 밝혔다.
미래 청정에너지 사회 구축을 위해 필수적인 수소를 생산하기 위한 방법으로 재생에너지원과 연계된 수전해 기술이 주목받고 있다. 알칼라인 수전해는 수산화칼륨(KOH)이나 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 전해질로 사용해 염기성 환경에서 물을 전기분해하는 대표적인 수전해 기술이다. 알칼라인 수전해는 대형화와 저렴한 설비비용, 충분한 운전수명 등의 장점을 갖고 있지만 천연가스 개질 등 기존의 수소생산 공정에 비해 비싼 생산 단가가 장애물로 작용하고 있다.
특히 수전해 수소의 생산 단가를 낮추기 위해 전극 및 촉매 재료 등 소재연구와 시스템 운전 최적화 연구가 필요하다. 하지만 소재 개발에 비해 운전 최적화 연구는 부족한 실정이며 실험 기반의 연구에 집중돼 있다.
연구팀은 그린수소를 생산할 수 있는 기술 가운데 하나인 알카라인 수전해 시스템 운전 성능에 대해 연구를 진행했다. 특히 시스템 운전 성능에 미치는 압력 영향을 예측할 수 있는 수치해석 모델을 개발했다.
연구팀은 수치해석 기반 알카라인 수전해 스택 모델을 개발, 작동 변수에 따른 스택 운전성능 변화를 파악했다. 스택 외에도 수소 생산설비를 구성하는 주변 보조기기(BOP) 소모동력 변화를 종합적으로 분석해 최적 수소 생산효율을 갖는 운전조건을 도출했다.
이렇게 개발한 수전해 스택 모델을 한국에너지기술연구원 스택 운전 실험 데이터를 이용해 검증했다. 이를 통해 알카라인 수전해 시스템 운전효율이 BOP 장치 소모동력 감소 영향으로 약 10바(bar) 압력까지는 크게 상승하지만 이후 100bar 압력까지 천천히 감소함과 압력상승에 따른 발생 수소 순도 향상 효과가 20바 이후에는 미미함을 확인했다. 이번 연구는 수행 조건이 제한적인 실험 기반 연구와 달리 넓은 범위에 대한 운전성능을 파악할 수 있다는 장점이 있다.
제1저자인 석사과정 장도형 학생은 “지도해주신 교수님의 도움을 받아 좋은 성과를 얻은 것 같다”면서, “알카라인 수전해 시스템 모델 연구에 이제 첫 발을 내딛었고 앞으로도 지속적인 연구를 통해 더욱 신뢰성있고 심도있는 시스템 모델을 개발할 예정이다”고 말했다.
강상규 교수는 “친환경에너지를 활용해 안정적인 고효율 그린수소 생산 가능성을 확인했다”며 “수소경제 활성화와 수소산업 육성에 기여할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 수소에너지혁신기술개발사업의 지원을 받은 '알칼라인 수전해 핵심기술개발 연구단' 과제의 일환으로 이뤄졌다. 연구 성과는 화학공학 분야의 세계적인 학술지인'어플라이드 에너지(Applied Energy)' 최신호 온라인으로 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
