▲ 연구진이 개발한 30kW급 알칼라인 수전해 스택 및 운전 장치 모습

국내 연구진이 수전해기술 상용화에 필요한 고성능, 고안정성 분리막 기술을 국산화했다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 ‘에기연’) 수소연구단 조현석 박사 연구진은 알칼라인 수전해 장치의 수소생산 밀도를 혁신 향상시키는 고성능, 고안정성의 분리막을 자체 기술로 개발했다.

해외 상용 제품 대비 수소생산 밀도는 3배이상 향상시키먀 수소와 산소의 혼합에 의한 폭발 위험은 현저히 했다.

그린수소 생산기술 중 알칼라인 수전해 기술은 알칼라인 용액의 물을 분해해 수소를 생산하는 기술로, 타 기술 대비 저가의 전극과 분리막 소재를 사용, 기술 성숙도와 장기 내구성이 높아 대용량 그린수소 생산에 적합하다.

하지만 상용 분리막은 친수성 세라믹 입자의 분포가 불균일하고, 미세구조가 치밀하지 않아 이온 전도도가 낮을 뿐만 아니라 수소와 산소의 혼합을 쉽게 억제할 수 없다.

연구진은 분리막 제작 조건의 최적화를 통해 40nm(나노미터) 크기의 미세나노기공으로 구성된, 치밀한 다공성 구조 구현에 성공했다. 미세나노기공 주변에 친수성 세라믹 입자들을 균일하게 분포해 굴곡률을 높여 수소와 산소 혼입을 억제하며, 수산화 이온 이동 경로를 극대화해 이온전도를 큰 폭 향상시켰다.

국내 통상적 수전해 장치는 0.4 A/cm2 이하의 전류밀도에서 고위발열량 기준 80% 미만 효율을 보인다. 연구진이 개발한 분리막을 단일 셀에 적용, 실제 알칼라인 수전해 장치 운전환경에서 평가결과, 전류밀도를 3배 높인 1.2A/cm2 이상에서도 80% 이상의 높은 효율을 수소를 생산 가능함을 확인했다.

연구진은 실험실 규모에서 알칼라인 수전해 스택의 스케일-업(확대) 기술을 확보하고 검증하는 평가플랫폼도 구축했다. 평가 플랫폼은 10kg/d 수소생산까지 평가 가능하며, 수소방폭, 역화방지기, 가스정제기, 컨트롤러, 열교환기, De-oxo촉매 반응기 등을 구성해 실제 상용 수전해 시스템에 가깝게 구현했다.

연구진이 개발한 알칼라인 수전해 분리막과 스택 평가 플랫폼 기술은 GS건설㈜에 이전됐다. 해외 기업 대비 가격과 기술경쟁력 우위 선점에 의미가 있으며, 수전해 성능평가 플랫폼 기술은 기술 지원을 더해 수요기업의 그린수소 생산시스템 구축 촉진 계기가 될 것으로 기대한다.

연구진은 현재 개발한 분리막을 900cm2 면적으로 확대해 30kW급 알칼라인 수전해 스택에 적용해 평가플랫폼에서 검증을 수행하고 있다. 수요기업 연계를 통해 2025년까지 MW급 상용 수전해 적용을 위한 m2 면적의 스케일-업 기술개발도 수행중이다.

조현석 박사는 “이번 분리막 기술은 국내 자체기술을 통해 그린수소 시장 선도 경쟁력을 얻은 의의가 있다”며, “국내 수전해 시장 확장을 위해 현재에 만족하지 않고 국내 수요 기업과 협력을 통해 핵심 소재부품 기술 상용화가 필요하다”고 강조했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 수소에너지혁신기술개발사업과 공공연구성과 활용촉진 R&D 사업의 지원을 통해 2019년부터 지난 3년간 수행됐다.