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에너지연, 수소 기술이전 활발…수소경제 활성화 ‘날개’

수소생산유닛・수전해 스택 등 기술이전 잇달아
동아화성과 합작투자, 연료전지 시장 진출 추진
개발 중인 사업화 유망기술도 많아 수소산업 확장 기대

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[월간수소경제 이종수 기자] 정부가 지난해 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표한 이후 한국에너지기술연구원의 기술이전 및 사업화가 활발하게 진행되고 있어 눈길을 끈다.


한국에너지기술연구원(이하 에너지연)은 ‘과학기술분야 정부출연연구기관 등의 설립 운영 및 육성에 관한 법률’에 근거해 지난 1977년 8월에 설립돼 에너지기술 개발, 에너지기술 보급 확산 및 중소기업 육성, 에너지기술 정책 수립 지원 등의 역할을 수행하고 있다.  


에너지연은 ‘에너지기술로 행복사회를 열어가는 KIER’이라는 비전으로 △기후위기 대응(2050 탄소 중립) △고효율 저탄소 사회 구축 △에너지전환(3020/4035) △수소경제사회 실현이라는 4가지 전략을 추진하고 있다.   


에너지연은 수요기업에 개발 기술을 이전해 이의 보급 확산과 기업의 사업화를 꾀하는 기술이전 사업을 진행해오고 있다. 


‘기술의 이전 및 사업화 촉진에 관한 법률’에 따르면 기술이전이란 기술의 양도, 실시권 허락, 기술지도, 공동연구, 합작투자 또는 인수·합병 등의 방법을 통해 기술보유자(당해 기술을 처분할 권한이 있는 자를 포함)로부터 그 외의 자에게 이전되는 것을 말한다. 


즉 에너지연이 개발・보유한 연구성과를 활용하고자 하는 기업 또는 개인에게 기술료(로열티)를 받고 이전하는 것이다.  


에너지연은 ‘시장보급형 고순도 수소생산유닛 기술’, ‘부하변동 대응형 수전해 스택’,  ‘5kW급 고온 고분자 연료전지 상용 기술’ 등을 잇달아 민간기업에 이전하면서 수소경제 활성화에 크게 기여하고 있다는 평가를 받는다.


기술이전을 받은 지 얼마 되지 않아 사업을 수주하는 성과를 올린 기업이 있는가 하면 민간기업과 함께 연구소 기업을 설립해 사업화를 추진 중인 경우도 있어 큰 관심을 끌고 있다. 현재 실험실이나 파일럿 규모로 개발이 진행 중인 사업화 유망기술들도 향후 수소산업 확장을 견인할 것으로 기대를 모으고 있다.      

 

고순도 수소생산유닛 100% 국산화  

한국에너지기술연구원 수소연구단 윤왕래 박사 연구진은 도심지 또는 수요처 인근에서 도시가스 파이프라인을 연결해 99.999% 이상의 고순도 수소를 생산・공급할 수 있는 ‘현장생산형(On-Site) 고순도 수소생산유닛’ 원천설계・엔지니어링 기술을 100% 국산화하는 데 성공했다.




윤 박사 연구진은 열교환 일체형 대류 열전달 개질기를 설계함과 동시에 발열반응 자동제어 열 교환형 수성가스 전이 반응기를 모듈화 원천 설계함으로써 소형화 및 고효율화를 실현했다. 


또 고순도 수소 정제를 위해 기존의 PSA가 아닌 VPSA(진공압력변동 흡착)를 자체 개발해 탈착 압력을 낮춤과 동시에 5가지 흡착제의 최적 레이어링(layering) 및 배열을 통해 유효 흡착량과 분리효율을 극대화했다. 이를 통해 수소 정제 효율 99.999% 이상과 CO 농도 0.2 ppm 이하로 유지할 수 있도록 설계했다. 


윤 박사는 “현장생산형 고순도 수소생산유닛 기술은 미국 에너지부와 일본 NEDO에서 초기 수소에너지 보급 사양 중 제시한 수소생산효율 75~80%를 상회하는 81%의 고효율을 기록했고, 대당 10억 원 이하의 비용 경제성도 갖추었다”라며 “기존 LNG 공급망을 활용해 추가 인프라 투자 없이 쉽고 안정적으로 경제적인 수소생산·공급이 가능하다는 점에서 충분한 경쟁력이 있다”고 밝혔다. 


에너지연은 지난 5월 천연가스 생산·공급 설비 제조기업인 동시에 수소저장합금 사업을 추진하고 있는 원일티엔아이와 기술이전 계약을 체결했다. 


원일티엔아이는 에너지연으로부터 이전받은 ‘고순도 수소생산 유닛’ 기술로 정부에서 추진하고 있는 분산형 소규모 수소생산기지 구축사업에 진출하는 동시에, 거점형 수소생산기지를 위한 중형 개질 시스템 스케일-업 개발을 위한 기반 기술로 활용할 계획이다.


원일티엔아이는 처음으로 평택 수소생산기지 구축사업에서 하루 600kg급, 6톤급 각 1기의 수소추출기 제작・설치를 수주하고, 지난 8월 계약을 완료하는 성과를 올렸다. 한편 6톤급은 독일 캘로릭(Caloric)과 함께 입찰에 참여해 수주했다. 

  

수전해 그린수소 기술이전 ‘두각’  

최근 에너지연의 수소기술 이전사례 중 수전해 분야가 단연 돋보인다.


수소연구단 김창희 박사 연구진은 태양광, 풍력 등과 같이 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지를 이용해 안정적이며 고효율로 수소를 생산할 수 있는 ‘부하변동 대응형 수전해 스택’ 개발에 성공했다.




연구진은 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지가 공급되더라도 내구성과 효율이 높은 전극과 분리막을 자체 개발했고, 이 스택기술을 통해 수전해 시스템을 모듈화했다.  


수전해 분리막은 미세구멍의 정밀제어 및 친수성을 향상해 상용제품(Zirfon UTP500, Agfa사) 대비 가스혼합을 3배 이상 억제하면서도 3배 이상 높은 이온 전도성을 갖는 고안정성·고이온전도성 분리막 합성기술을 확보했다. 수전해 전극은 부하변동 운전에 대한 내구성 확보를 위해 전이금속 촉매보다 반응성이 큰 망간 또는 크롬을 첨가해 촉매 수명을 향상시키는 효과를 얻을 수 있었다.


연구진은 이 기술을 통해 수소생산 효율을 82% 이상까지 끌어올렸으며, 부하변동 시 발생할 수 있는 가스 혼입 및 전극 효율 문제를 해결해 더 넓은 출력범위(5~110%)의 연계 운전이 가능하도록 설계했다.


김창희 박사는 “부하변동 대응형 수전해 스택 기술은 오는 2022년에 예정된 새만금 등 대단위 재생에너지 단지에서 대량의 그린수소 생산을 통해 정부의 수소경제 활성화에 기여하고, 수소산업 관련 전·후방 산업 육성에 미치는 파급효과가 클 것으로 기대한다”고 밝혔다.


에너지연은 지난 5월 국내 수요기업과 이 기술을 이전하는 계약을 체결했다.


또한 김창희 박사 연구진은 수전해 장치의 성능과 효율을 정밀하게 평가할 수 있는 장비도 자체 개발하는 데 성공하고, 지난해 8월 응용화학 소재 기업 수경화학에 기술이전을 완료했다. 




연구진은 통상적인 전압 효율 측정과 더불어 수전해 셀 운전 시 생성되는 수소・산소 가스의 유량과 농도를 실시간으로 측정하고 혼합 정도를 분석함으로써 인가되는 전류 대비 생성된 수소의 양(전류 효율)까지 동시에 정밀하게 분석할 수 있는 평가 장비를 개발했다.


김 박사는 “연구 현장에서 필요로 하는 요소 기술이 반영된 수전해 장치 평가 장비를 연구원에서 자체적으로 구현했다는 데 그 의의가 있다”라며 “해외 선도 기업 제품 대비 저렴한 가격으로 제작이 가능해짐에 따라 국내 수전해 평가 장치의 보급에 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.


수경화학의 관계자는 “에너지기술연구원으로부터 이전받은 기술을 통해 수전해 평가 장치 기술개발에 소요되는 투자비용과 시간・인력을 절감할 수 있었고, 이와 관련된 그린수소 생산기술을 습득해 향후 주요 사업영역으로 키워나갈 계획”이라고 밝혔다.


수경화학은 지난 7월 일산 킨텍스에서 개최된 ‘수소모빌리티+쇼’에 수전해 장치 평가 장비를 선보여 많은 관심을 끌었다. 


지난해부터 김창희 박사가 이끌고 있는 ‘알칼라인 수전해 핵심기술개발 연구단’은 전력소모량 51kWh/kg-H2, 운전전류밀도 0.6A/㎠의 세계 최고 수준 단위 전지를 개발하는 데도 성공했다. 지금까지 확보된 기술로 3건의 기술이전 계약을 체결했고, 현재 1건의 기술이전을 진행 중이다. 


김 박사는 “재생에너지와 연계된 수전해 장치의 수소생산단가는 운전시간에 따라 어느 정도 차이가 있겠으나, 수전해 수소생산의 경제성을 향상하기 위해서는 장치가격을 낮추는 것뿐만 아니라 전력소모량을 감소시키는 기술개발에 중점을 둬야 한다”고 설명했다.  

 

차세대 건물용 연료전지 시장 진출 추진 

연료전지연구실 김민진 박사 연구진은 ‘5kW급 고온 고분자 연료전지 상용 기술’을 개발해 자동차 부품 기업 동아화성과 함께 사업화를 추진 중이다.  


김 박사 연구진이 개발한 5kW급 고온 고분자 연료전지 기술은 전기・온열은 물론 냉열까지 생산하는 삼중 열병합 발전이 가능해 전기와 온열만 공급하는 기존 연료전지 시스템에 비해 운영 경제성이 우수하고, 세계 최고 수준의 연료전지 스택 전기효율(54%)도 보유하고 있다.




또 해외 선진사들이 사용하는 카본 기반 냉각판을 금속 기반 독립형 냉각판으로 대체해 냉각 오일 유입으로 인한 성능 저하를 원천적으로 차단하고, 분리판에 사용되는 카본과 금속 기반 냉각판 사이의 소재 이질성으로 발생하는 전기 저항을 최소화하기 위해 냉각판 완충 레이어를 새로 도입하고 스택 전기효율을 향상시켰다.


에너지연은 동아화성과의 합작투자를 통해 지난해 12월 연구소 기업 동아퓨얼셀을 설립한 바 있다. 현재 사업화를 위한 인증과 양산설비 구축, 해외 시장 진입을 추진 중이다.


김민진 박사는 “연구원이 개발한 기술은 총 50%에 달하는 연료전지 열에너지의 적절한 수요를 찾아줌으로써 건물용 연료전지 시장을 확장할 수 있을 것으로 기대하고 있다”라며 “연구소 기업과의 지속적 협업을 통해 내수는 물론 해외 시장까지 진출하는 것을 목표하고 있다”고 밝혔다.  




이성근 동아퓨얼셀 대표는 “올해 안으로 5kW급 고온 고분자 연료전지 제품에 대한 KS 인증을 완료하고, 내년부터 본격 출시할 계획”이라며 “현재 경기도 성남시에 양산설비를 구축 중이다. 해외 시장은 유럽을 최대 타깃으로 하고 있는데 코로나19가 진정되면 유럽 진출을 적극 모색할 것”이라고 말했다.  

 

사업화 유망기술 개발 ‘한창’

현재 에너지연에서 개발 중인 사업화 유망기술도 향후 수소산업 확장에 크게 기여할 것으로 기대된다. 


청정연료연구실 박지찬 박사 연구진은 지난 7월 기존 상용 촉매보다 수소 생산성이 1.9배 뛰어난 니켈 나노 촉매를 자동화 합성 장치를 통해 구현했다고 밝혔다. 


연구진은 비싼 수입 금속 전구체 대비 15% 수준으로 저렴한 가격의 국산 금속 전구체를 사용하면서도 고성능의 나노 촉매를 얻을 수 있는 자동화 촉매 합성 장치 및 제법들을 새롭게 개발했다. 


이 기술을 바탕으로 각각 4.5, 7.9, 8.8 나노미터 수준의 균일한 크기를 가지는 니켈 나노입자들이 25%의 높은 중량비로 알루미나, 활성탄, 실리카 지지체에 담지된 나노 촉매들을 합성하는 데 성공했다.


박지찬 박사는 “자동화 기술로 합성된 니켈・알루미나계 나노 촉매는 수소생산을 위한 메탄-수증기의 개질 반응에 적용되어 기존 상용 촉매보다 훨씬 높은 반응성과 메탄 전환율, 그리고 고온에서의 안정성을 나타냈으며, 1.9배 향상된 수소 생산성을 보여줬다”고 설명했다. 


연구진은 자동화 장치 전문 기업인 하이젠과의 공동연구로 용융함침 공정기반의 자동화 합성 시스템 기술개발을 진행 중이며, 2021년 이후 이 기술을 상용화할 예정이다.


에너지소재연구실 이신근 박사 연구진은 천연가스, 바이오매스, 수전해 등 수소생산 방식과 결합해 기존 기술의 문제를 극복하고 효율적으로 수소를 생산・정제할 수 있는 ‘복합막 형태의 팔라듐 분리막 기반 수소생산·정제 핵심기술’을 개발하는 데 성공했다고 지난해 8월 밝혔다. 


연구진은 먼저 팔라듐 분리막 코팅 공정의 핵심인 ‘무전해도금법’을 독자적으로 개발했다. 이 기술을 이용하면 도금액 내에 포함된 팔라듐을 기존 방식보다 10%가량 높은 99.5% 이상 활용할 수 있고, 현재 판매되고 있는 팔라듐 포일막 대비 3~5배 낮은 5μm(마이크로미터, 1m의 100만분의 1) 이하의 두께로 코팅해도 우수한 수소 정제가 가능하다.


또 확산 방지막 코팅 기술인 ‘블로윙 코팅기술’을 함께 개발해 원통형 금속 표면에 100nm(나노미터, 1m의 10억분의 1) 이하의 매우 얇은 세라믹 막을 단순하면서도 균일하게 코팅하는 데 성공해 전체 분리막의 안정성과 경제성을 개선했다.


연구진은 개발된 핵심기술을 바탕으로 직경 1인치, 길이 45cm의 팔라듐 분리막을 제조하는 데 성공했으며, 분리막이 적용된 10Nm³/h 수소 정제기도 개발했다. 


이신근 박사는 “팔라듐 분리막 수소생산·정제 기술은 기존 화석연료 기반 수소 생산 방식에 접목해 효과적으로 반응효율을 증진할 수 있는 기술로, 현지공급형(On-Site) 고순도 수소생산·정제 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대한다”라며 “향후 재생에너지와 친환경 에너지원을 이용한 수소생산 방식에서 효율 향상을 위해서도 핵심적으로 적용할 수 있다”고 밝혔다.


이밖에 ‘열전달 및 내구성이 향상된 금속구조체 촉매 제조기술’, ‘도시가스 이용 연료전지용 수소제조기술’, ‘고효율 대면적 평판형 고체산화물연료전지 셀 제조기술’ 등 개발이 진행 중인 다수의 기술이 사업화 유망기술로 꼽힌다. 


에너지연 기술사업화실이 발행한 사업화 유망기술 편람(2020년 9월)에 따르면 수소연구단 구기영 박사 연구진이 개발한 ‘열전달 및 내구성이 향상된 금속구조체 촉매 제조기술’은 기존 화학 공정에 사용되는 세라믹 펠릿 촉매를 대체하는 한편 반응 체적 대비 넓은 기하학적 반응 표면적을 제공하고, 단위 부피당 열전달 속도를 제고할 수 있는 기술이다. 


이 기술은 금속구조체의 조성과 형상, 표면 상태의 제약 없이 금속구조체 표면에 금속 산화물층을 형성시켜 구조체 표면에서 코팅층의 접착력을 향상하고, 구조체 표면에 촉매의 균일 코팅이 가능하면서 소량의 귀금속 촉매 고분산 담지를 통해 촉매의 활용성을 극대화할 수 있다. 


현재 1~5kW급 연료개질기용 금속구조체 촉매 시제품을 제작해 실험 성능평가와 함께 대면적화 촉매 코팅기술과 양산 공정 기술개발을 진행 중이다.  


수소연구단 정운호 박사 연구진이 개발한 ‘도시가스를 이용하는 연료전지용 수소제조기술’은 도시가스와 물을 원료로 3단계의 촉매반응을 거쳐 76% 이상의 수소 농도와 10ppm 이하의 일산화탄소 농도를 갖는 수소 혼합가스를 생산하는 기술로, 5~50kW급 용량까지 동일한 설계기술을 적용해 스케일-업이 용이하다.



이 기술은 기존 기술대비 45분 미만의 빠른 시동시간, 개질 효율 81%(LHV) 이상, 연료개질기 부피 10L/kW 이내의 세계 최고 수준의 소형화 등의 차별성을 보유하고 있으며, 확정된 소재・부품・시스템 시작품의 제작 및 성능평가 단계에 있다.   


연료전지연구실 송락현 박사 연구진이 개발한 ‘고효율 대면적 평판형 고체산화물연료전지(SOFC) 셀 제조기술’은 테이프 캐스팅과 라미네이션 기법, 공소결 기법을 적용해 500㎛ 이하의 얇은 12cm×12cm 크기의 대면적 평판형 SOFC 셀을 제조하는 기술이다.  


제조 공정 중 발생할 수 있는 셀의 구성요소 간의 박리현상을 극복하기 위해 테이프 캐스팅과 공소결 기법을 적용해 연료극 지지형 셀을 제조하고, 단순화한 공정을 적용해 기존 공정 대비 비용과 시간이 절감된다. 또 각 구성요소의 계면과 벌크 특성의 제어・최적화를 통해 성능과 내구성을 높일 수 있다. 



현재 실험실 규모의 소재・부품・시스템의 핵심 성능평가가 진행 중이다.   


연료전지연구실 손영준 박사 연구진이 개발한 ‘연료전지 핵심 부품 및 스택’이 있다. 기존의 채널 구조 및 다공체 신규 구조에 대한 다양한 최적화 설계를 기반으로 최적의 성능을 구현하는 기술로, 확정된 소재・부품・시스템의 시작품 제작 및 성능평가 단계에 있다.  


연료전지연구실 박구곤 박사 연구진이 개발한 ‘백금 사용량을 극소화하는 연료전지용 전극 촉매 기술’은 백금과 귀금속의 사용량을 획기적으로 줄여 가격 저감과 내구성 확보에 기여할 수 있는 고성능 전극 촉매 기술로, 확정된 소재・부품・시스템의 시작품 제작 및 성능평가 단계에 있다.  


귀금속 및 비귀금속 전이금속을 중심(Core)에 두고, 원자 수준의 얇은 백금이 외곽(Shell)에 코팅된 형태의 전극 촉매를 제조해 월등히 향상된 질량 활성과 함께 활성금속 내구성도 향상된 결과를 보여줘 상용 백금촉매(Pt/C) 대비 약 2~10배의 성능향상을 기대할 수 있다. 


연료전지연구실 배병찬 박사 연구진은 ‘연료전지용 고내구성 전해질복합막 및 MEA 제조기술’을 개발했다. 


이 기술은 과불소화 전해질막보다 저렴하고, 기존의 랜덤형 탄화수소전해질의 문제점을 해결할 수 있는 고이온전도성 블록공중합체 합성기술로, 기계적 강도 향상이 가능한 롤투롤 강화복합막 제조가 가능한 기술이다. 화학적 내구성 향상을 위한 산화방지제 제조 및 가스투과도 저감도 가능하다. 기존 전해질막과 비교해 내구성을 약 3배 이상 향상할 수 있다.


파일럿 규모의 시작품을 제작해 현재 성능평가 중이지만 전해질막과 MEA를 개발하고, 제조 공정 전반을 아우르는 기술을 확보함으로써 즉시 상용화가 가능하다. 




마지막으로 에너지소재연구실 우상국 박사 연구진이 개발한 ‘양방향 고온수전해-대면적 평관형 고체산화물 셀 및 스택기술’이 있다. 


양방향 고온수전해는 700℃ 이상의 고온에서 고체산화물 셀을 통해 수증기를 전기로 분해해 수소를 생산하거나 생성된 수소로부터 전기를 생산할 수 있는 미래 친환경・고효율 에너지 변환기술이다. 


우 박사 연구진은 세계 최초로 100cm²의 활성 전극 면적을 갖는 대면적 평관형(parallel plate) 고체산화물 셀과 이를 이용한 1kW급 양방향 고온수전해 스택을 개발했다. 단일 시스템으로 수소생산 모드에서 시간당 약 500리터 규모의 수소 제조와 1kW의 전력 생산이 가능하다. 


스택은 에너지연 고유의 평관형 셀 제조기술을 적용해 열・기계・전기적 특성이 우수하고, 적층 집적도가 높다는 게 연구진의 설명이다. 


김종남 에너지연 원장은 “우리 연구원은 태양광・풍력・바이오 등의 자연에너지를 경제적으로 활용하는 기술, 에너지 사용량을 최소화하는 고효율 기술, 화석연료를 청정하게 활용하는 기술, 저비용의 수소를 생산・저장・활용하는 기술을 개발・보급해 ‘2050 탄소 중립’을 실현해 인류의 지속 가능한 미래를 열겠다”고 밝혔다.





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