한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 김창희 수소연구단장팀이 물을 전기분해해 고효율로 대량의 수소를 생산할 수 있는 '10킬로와트(㎾)급 알칼라인 수전해 스택'을 자체 개발했다고 24일 밝혔다. 최대 84% 효율로 시간당 2노멀입방미터(Nm³·0도와 1기압 기준 기체 부피) 그린수소를 생산할 수 있다. 1008시간 운전 동안 세계 최고 수준인 82% 수소 생산 효율을 유지해 성능과 내구성도 검증했다.
탄소중립, 온실가스 배출 없는 그린수소 생산에 가장 핵심이 이번 고효율 수전해 스택 기술이다. 수전해 스택은 공급된 물을 분해해 수소를 생산하는 장치다. 전극, 분리막, 분리판, 셀프레임 등 단위 부품을 많게는 수백 장씩 쌓아 만든다.
독일, 일본, 미국 등 선도국들은 약 20년 전부터 기술을 개발했다. 약 80% 내외 효율로 수소를 생산하는 메가와트(㎿)급 수전해 스택, 소재·부품 기술을 보유하고 있다. 우리나라는 산업 인프라 미비로 관련 소재·부품 원천기술이 열악하고 수소 생산 효율도 70% 이하였다. 또 실제 수전해 스택에 적용되는 스케일의 전극, 분리막을 만들 수 없었다.
연구진은 이에 대응해 대면적 수전해 스택 설계·제작 핵심 원천기술 확보, 핵심 소재 및 부품국산화에 힘썼다. 지난해 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지로 안정적이며 고효율로 수소를 생산하는 '부하변동 대응형 수전해 스택 설계 기술' 개발에 성공했다. 이것에 이어 이번 성과까지 이뤄냈다.
연구진은 소재 단위 스크리닝을 통한 우수 소재 후보군 선정, 소형 단위 셀에서의 성능 평가 및 대면적 스택 적용 가능성 검증, 660㎠ 스케일업 및 20장씩 적층 등 과정을 거쳐 10㎾급 수전해 스택을 제작할 수 있었다.
개발 수전해 스택의 음극, 양극에는 수소발생반응과 산소발생반응에 효과적인 니켈 알루미늄, 니켈 철 계열 다공성 전극을 각각 제작해 적용했다. 수소와 산소 이동통로인 분리판은 니켈을 도금, 접촉 저항을 줄이고 내부식성을 강화했다. 또 누설 전류를 줄이고 스택 내 전해질 흐름을 원활하게 하는 유로 형상을 개발, 스택 내 셀 프레임에 적용했다.
이번 성과는 순수 국내 기술로 핵심 소재 및 부품까지도 국산화해 이룬 성과다. 그린수소 중심 에너지 전환에 기여해 수소산업 생태계 조성과 확대에 파급 효과가 클 것으로 기대된다.
김창희 단장은 “100㎾급까지 확장이 가능해 ㎿급 수전해 스택 개발을 위한 핵심 기술로 활용 가능하다“며 ”해외 기업에 국내 수전해 시장이 잠식되지 않으려면 국내 기술 조기 상용화가 꼭 필요하다“고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 일환으로 2015년부터 약 5년간, 차세대 알칼라인 수전해 원천기술 확보를 목표로 진행됐다. 연구 기간 동안 수요 기업으로 3건의 기술 이전을 완료했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
