광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 강상규 기계공학부 교수팀이 그린수소 생산을 위한 알칼라인 수전해 시스템 운전 성능에 대한 온도의 영향을 분석하고 이를 예측할 수 있는 수치해석 모델을 개발했다고 17일 밝혔다.
그린수소는 재생에너지 전력으로 물을 전기분해하는 과정에서 온실가스 배출 없이 생산되는 수소를 말한다. 알칼라인 수전해는 수산화칼륨(KOH)이나 수산화나트륨(NaOH) 수용액을 전해질로 사용해 염기성 환경에서 물을 전기분해하는 기술이다. 수전해 기술 가운데 완성도가 가장 높고 저렴한 비용으로 대규모 설비를 구축할 수 있다는 장점을 갖고 있다.
그린수소 생산은 그레이수소(기존 천연가스 개질 수소 또는 석유화학 공정에서 발생한 부생수소 생산 과정에서 이산화탄소 발생을 동반)나 블루수소(화석연료에서 추출하지만 이산화탄소를 적게 배출)에 비해 생산비용이 비싸 기술 상용화가 늦어지고 있다.
연구팀은 수치해석 기반 알칼라인 수전해 스택(핵심 부품) 모델을 개발, 작동 온도에 따른 스택 운전성능 변화를 파악했다. 스택 외에도 수소 생산설비를 구성하는 핵심운전장치(BOP)의 소모동력 변화를 종합적으로 분석해 최적의 수소 생산효율을 갖는 작동 온도조건을 도출했다.
이를 통해 대기압에서 80℃ 운전 시 전류밀도 0.4A/㎠ 아래에서는 70℃ 조건보다 낮은 시스템 효율을 보여 고온에서 운전할수록 높은 효율의 스택 운전 성능과 다른 경향이 나타남을 확인했다. 이는 고온 운전에서 포화수증기 생성에 따른 증발잠열이 증가하고 낮은 전류밀도에서 과전압에 의한 스택 발열량이 충분하지 않아 시스템 온도 제어를 위한 BOP 소모동력이 증가하기 때문이라는 사실을 규명했다. 수소 에너지를 활용한 배출가스 제로(제로 이미션) 사회 실현에 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
강상규 교수는 “그린수소 생산을 위한 수전해 시스템의 운전효율 개선 가능성을 증명했다는 데 가장 큰 의미가 있다”면서 “운전압력에 따른 연구결과와 함께 종합적인 변수를 고려한 알칼라인 수전해 시스템 운전조건 최적화에 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
