[월간수소경제 성재경 기자] 한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 ‘에너지연’) 수소연구단 조현석 박사 연구진이 알칼라인 수전해 장치의 수소생산 밀도를 크게 높일 수 있는 고성능, 고안정성의 분리막을 자체 기술로 개발했다.

해외 상용 제품 대비 수소생산 밀도를 3배 이상 향상시키면서 수소와 산소의 혼합에 의한 폭발 위험을 크게 억제한 것이 기술의 핵심이다.

연구진은 분리막 제작 조건의 최적화를 통해 40nm(나노미터) 크기의 미세 나노기공으로 구성된 다공성 구조 구현에 성공했다.

미세 나노기공 주변에 친수성 세라믹 입자들을 조밀하고 균일하게 분포하게 해 굴곡률을 높여 수소와 산소 혼입을 억제하면서, 조밀한 친수성 세라믹 입자를 따라 수산화이온(OH-)이 이동할 수 있는 경로가 극대화되는 효과로 이온전도율을 크게 높였다.

국내 통상 수전해 장치는 0.4A/㎠ 이하의 전류밀도에서 고위발열량(HHV) 기준 80% 미만의 효율을 보인다. 연구진이 개발한 분리막을 단일 셀에 적용해 실제 알칼라인 수전해 장치 운전환경에서 평가한 결과, 전류밀도를 3배 높인 1.2A/㎠ 이상에서도 80% 이상의 높은 효율로 수소생산이 가능함을 확인했다.

연구진은 실험실 규모에서 알칼라인 수전해 스택의 스케일-업(확대) 기술을 확보하고 검증할 수 있는 평가 플랫폼도 함께 구축해 하루 최대 10kg의 수소생산까지 평가하는 설계기술을 확보했으며 수소방폭, 역화방지기, 가스정제기, 제어기, 열교환기, De-oxo촉매 반응기 등을 구성해 실제 상용 수전해시스템에 가깝게 구현했다.

이번에 개발한 알칼라인 수전해 분리막과 스택 평가 플랫폼 기술을 GS건설에 이전, 수요기업의 그린수소 생산 시스템 구축을 촉진하는 계기가 될 것으로 기대하고 있다.

에너지연 연구진은 현재 개발한 분리막을 900㎠ 면적으로 확대해 30kW급 알칼라인 수전해 스택에 적용해서 평가 검증을 수행하고 있다. 수요기업과 연계를 통해 2025년까지 MW급 상용 수전해 적용을 위한 제곱미터(㎡) 면적의 스케일-업 기술개발을 목표로 한다.