분리막, 미세 기공으로 다공성 구조 구현

테크윈·테크로스 등 수요기업과 협업

[가스신문 = 양인범 기자]  그린수소는 재생에너지 발전으로 만든 전기를 이용한 수전해를 통해 만들기에 가장 친환경적인 기술로 평가받는다. 그러나 현재 높은 재생전력 단가와 변동성에 의해 그레이·블루수소 대비 선호되지 않는다. 한국에너지기술연구원 수소연구단의 조현석 박사는 최근 수전해 시스템에서 중요한 새로운 ‘고성능·고안전성 분리막’ 개발에 성공했다.

“분리막은 수전해 시스템 내에서 가장 핵심 소재입니다. 시스템 가격을 낮추려면 수소생산밀도를 높여야 하는데 효율 저감을 막으려면 분리막 내 이온저항이 낮아야 합니다. 동시에 분리막 양쪽에서 발생하는 수소와 산소가스의 섞임이 매우 적어야 하는데 이온저항과 가스섞임을 반비례 관계라 최적 조건을 찾아야 합니다.”

조 박사의 연구팀은 분리막 내부의 기공 및 굴곡률 구조를 정밀하게 제어하는 기술을 확보했고 40nm크기의 미세 나노 기공으로 구성된 치밀한 다공성 구조 구현에 성공했다.

“미세 나노 기공 주변에 친수성 세라믹 입자들을 조밀하고 균일하게 분포시켜 굴곡률은 높여 수소와 산소 혼입은 현저히 억제하면서, 조밀한 친수성 세라믹 입자를 따라 수산화 이온이 이동할 수 있는 경로가 극대화되어 이온전도를 큰 폭으로 향상시킬 수 있었습니다. 개발된 분리막 소재를 수전해 시스템에 적용시키면 효율저감 없이 수소생산밀도를 3배 높일 수가 있죠. 이는 장치 가격의 저감으로 이어져 그린수소 생산단가를 낮출 수 있습니다.”

국내 수전해 연구는 2019년 과기정보통신부 수소에너지 혁신기술개발 사업을 통해서 본격적으로 지원받아 시작되었다.

“처음에는 수요기업이 많지 않아 산업화와 연결이 어려운 문제가 많았고 개발한 원천기술이 연속성이 없는 한계가 있었습니다. 지금은 그린수소의 필요성을 기업들이 잘 알기에 다양한 연구개발이 진행되고 있습니다.”

에기연에서 개발한 이 수전해 기술 관련 수요기업은 테크윈, 테크로스, LG화학, GS건설, 수소에너젠 등으로 알카라인 수전해 소재 및 시스템 제작 업체가 있다.

“저희는 정부 출연연구소 특성에 따라 핵심 소재 및 시스템 관련 공공기술 개발을 통해 수요기업에게 기술이전을 하고 사업화를 가속화하는데 시드 역할을 하도록 노력합니다. 실험실에서 개발한 원천기술이 사업화까지 연결될 수 있도록 중개하는 것이 목표입니다.”

그린수소의 현재 생산단가는 약 7,000~ 12,000원/kg 수준이고, 정부의 수소경제활성화 로드맵은 2050년까지 2,500원/kg 이하를 목표로 한다.

“그린수소 생산 단가를 낮추는 것이 중요합니다. 수소생산밀도를 효율 저감없이 높이는 기술, 빠른 응답성을 가지며 안전성 확보된 기술, 압력이 높은 환경에서 안정적 운전 가능한 수전해 시스템 관련 핵심 소재의 기술개발이 중요합니다. 저희 팀은 수전해 관련 전극, 분리막, 확산체 등의 핵심소재를 포함해 위 목표를 달성하고자 노력하고 있습니다.”

그는 수소 분야 연구에서 아직 현장에 맞는 법규가 없다고 언급했다.

“가스와 전기가 만나 그린수소를 생산한다는 개념 때문에 가스 또는 전기 안전 법규가 유연하지 못하게 적용되고 있습니다. 앞으로 다양한 시나리오 분석 및 데이터를 통해 안전하고 효율적인 그린수소 연구를 하도록 법규가 준비되어야 합니다.”

조현석 박사는 그린수소가 재생에너지의 무역재로 중요한 역할을 할 것이라고 했다.

“그린수소는 정련, 송전제약 해소 위한 그리드밸런싱, 그린암모니아, 환원제철 등 다양한 분야에 접목 가능합니다. 그린수소에 대한 많은 관심을 부탁드립니다.”

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