[에너지단열경제]이재철 기자
한국에너지기술연구원 수소연구단 김창희 박사 연구진이 태양광, 풍력 등과 같이 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지를 이용해 안정적이며 고효율로 수소를 생산할 수 있는 ‘부하변동 대응형 수전해 스택’을 개발하는데 성공했다.
수소는 자연에 존재하는 가장 풍부한 원소지만 자체로 존재하기 보다는 석유·석탄·천연가스 등 화석연료나 물 등 화학성분으로 존재하기 때문에 이들로부터 추출해야 한다.
화석연료에서 추출된 수소는 온실가스가 동시에 다량 배출되는 단점이 있다.
수전해는 물을 전기분해해 수소를 얻는 기술로 고순도(99.999%)의 수소를 친환경적인 방법으로 생산할 수 있는 장점이 있으나 고가의 전력비용이 소모된다.
특히 재생에너지를 활용하여 수소를 생산할 경우 불안정한 전력 부하로 인하여 수전해 시스템 성능이 빠르게 나빠지는 문제가 발생한다.
또 기상 조건 변화로 재생에너지가 수전해 시스템에 부하 대비 0~20% 정도로 적게 공급되면 수소와 산소가 섞인 혼합가스가 가연성 한계에 쉽게 도달하게 되어 폭발위험이 있다.
연구진은 이번 연구개발을 통해 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지가 공급되더라도 내구성과 효율이 높은 전극과 분리막을 자체 개발했고 이 스택기술을 통하여 수전해 시스템을 모듈화 하는데 성공했다.
수전해 분리막은 미세구멍의 정밀제어 및 친수성을 향상시켜 상용제품 대비 가스혼합을 3배 이상 억제하면서도 3배 이상 높은 이온전도성을 갖는 고안정성·고이온전도성 분리막 합성기술을 확보했다.
수전해 전극은 부하변동 운전에 대한 내구성 확보를 위해 전이금속 촉매보다 반응성이 큰 망간 또는 크롬을 첨가하여 촉매 수명을 향상하는 효과를 얻을 수 있었다.
연구진은 이 기술을 통해 수소생산 효율을 82% 이상까지 끌어올렸고 부하변동 시 발생할 수 있는 가스혼입 및 전극 효율 문제를 해결해 보다 넓은 출력범위(5~110%)의 연계 운전이 가능하도록 설계했다.
부하변동 대응형 수전해 스택기술은 순수 국내 기술로 수소경제 사회 구현을 위한 그린수소생산의 길을 앞당겼다는 것에 큰 의미가 있다.
또 대단위 재생에너지 단지에서 국내 수전해 기술로 대량의 그린수소생산이 가능해지면 수소산업 관련 전·후방산업 육성 및 확대에 미치는 파급효과도 클 것으로 기대된다.
연구책임자인 김창희 책임연구원은 “부하변동 대응형 수전해 기술 개발을 통해 우리나라가 진정한 수소경제로 정착하는데 매우 중요한 역할을 하게 될 것으로 전망한다”며 “해외 선도국의 수전해 기술과 경쟁하기 위해 고성능·고내구 전극과 분리막 등 핵심 부품소재 요소기술과 메가 와트(MW)급 스택 스케일업 설계 기술 모두 확보돼야 한다”고 말했다.
이번 연구 성과는 지난달 25일 에너지기술연구원 대전 본원에서 기술이전식이 열려 국내 수요기업에 이전됐다.
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