수소 생산능력 3배로…에너지硏, 차세대 분리막 국산화

40㎚ 미세 나노기공 구현
산소 혼합 시 폭발 위험↓

연구진이개발한 30kW급 알칼라인 수전해 스택과 운전 장치.
연구진이개발한 30kW급 알칼라인 수전해 스택과 운전 장치.

국내 연구진이 그린수소 생산 시장에서 우위를 선점할 세계 최고 수준 고성능·고안정성 분리막을 개발했다. 국내 수요기업에 이전돼 그린수소 생산 전후방 소재·부품·장비 산업 발전에 기여할 전망이다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남) 수소연구단 조현석 박사팀은 알칼라인 수전해 장치 수소 생산 밀도를 혁신적으로 높일 수 있는 고성능·고안정성 분리막을 개발했다. 해외 상용제품 대비 수소 생산 밀도는 3배 이상 높이면서 수소·산소 혼합 폭발 위험은 현저히 억제했다.

그린수소 생산기술 중 알칼라인 수전해 기술은 알칼라인 용액의 물을 분해해 수소를 생산하는 기술이다. 타기술 대비 전극과 분리막 소재가 저가인 데다, 기술적 성숙도와 장기 내구성이 높아 대용량 그린수소 생산에 적합하다. 하지만 상용 분리막은 친수성 세라믹 입자 분포가 불균일하고, 미세구조가 치밀하지 않아 이온 전도도가 낮다. 수소·산소 혼합도 쉽게 억제할 수 없다.

연구진은 분리막 제작 조건 최적화로 40나노미터(㎚) 크기 미세 나노기공으로 구성된 치밀한 다공성 구조 구현에 성공했다. 미세 나노기공 주변에 친수성 세라믹 입자들을 조밀하고 균일하게 분포하게 해 수산화 이온 이동 경로를 극대화하고 이온전도를 큰 폭으로 향상시켰다. 수소·산소 혼입도 현저히 억제했다.

통상 국산 수전해 장치는 0.4A/㎠ 이하 전류밀도에서 고위발열량(연료가 완전 연소했을 때 방출하는 열량) 기준 80% 미만 효율을 보인다. 연구진이 개발한 분리막을 단일 셀에 적용한 결과, 1.2A/㎠ 이상 전류밀도에서도 80% 이상 고효율 수소 생산이 가능함을 확인했다.

연구진은 실험실 규모에서 알칼라인 수전해 스택의 스케일업(확대) 기술을 확보하고 검증할 수 있는 평가 플랫폼도 구축했다. 하루에 10㎏ 수소 생산까지 평가 가능하다. 실제 상용 수전해 시스템에 가깝게 구현했다.

개발 수전해 분리막과 스택 평가 플랫폼 기술은 GS건설에 이전됐다. 해외 선도기업 대비 가격과 기술 경쟁력에서 우위를 선점했다.

연구진은 분리막을 900㎠ 면적으로 확대해 30킬로와트(㎾)급 알칼라인 수전해 스택에 적용해 평가 플랫폼에서 검증을 수행하고 있다. 수요 기업과 연계로 2025년까지 메가와트(㎿)급 상용 수전해 적용을 위한 스케일-업 기술 개발 역시 수행 중이다.

김영준기자 kyj85@etnews.com