▲ 문상봉 (주)엘켐텍 대표이사.

석유화학을 기반으로 하는 석유화학 경제에서 지구 온난화와 자원 고갈 등 사회적, 경제적 문제가 야기되면서, 이를 극복하기 위한 대체 에너지 개발이 요구되는 상황이다. 이런 요구사항에 부응할 수 있는 수단 중에 하나가 수소 에너지다. 현재 수소 제조방법은 생물학적 방법, 탄화수소 개질, 태양광 방법 등 여러 가지 방법이 있으나, CO₂ free 제조 방법, 시장도입 시기성, 장·단기간 경제성 등을 고려할 때, 재생 에너지원과 연계해 전기화학적으로 물에서 수소를 제조하는 수전해 방법이 가장 유망하다.

물을 전기화학적으로 수소를 제조하는 방법은 고체 고분자 전해질 수전해법, 알카리 수전해법, 고온 수전해법 등이 있다. 고체 고분자 전해질(Proton Exchange Membrane, 이하 PEM) 수전해 법은 알카라인 전해법과 비교할 때, 전류밀도가 높고, 90% 이상의 높은 에너지 효율을 얻을 수 있으며, 강알칼리의 부식성 용액을 사용하지 않고 순수만을 사용하므로 재료의 선택이 용이하여, 보수 유지가 쉽다는 장점이 있다. 또한, 양쪽 전해실(양극실 및 음극실)이 비 다공질 막으로 분리돼, 양쪽 전해실의 압력차를 높게 유지하는 것이 가능해 장치의 고압화가 용이하다.

따라서, 향후 전개될 수소에너지 사회에 대응하고, 장차 중요한 역할을 하게 될 미래 재생에너지와의 연계성을 고려하여 PEM형 수전해 기술을 개발할 필요성이 있다.

▲ 단계별 연구목표 및 내용.

■PEM 수전해 연구개발 연구성과

이번 PEM 수전해 연구는 21세기 프론티어 사업의 고효율 수소에너지 사업단의 지원을 받아 2003년부터 2013년까지 10년간 ‘저온형 수전해 수소제조 기술 개발’ 및 ‘저온형 수전해 방법에 의한 고압 수소 제조 기술 개발’ 연구를 진행하고 있다. 10년간 연구기간 동안 총 143명의 연구 인력이 투입돼, 현재 연구 최종 목표인 150bar 고압의 수소 제조와 90% 이상의 효율을 갖는 막전극 접합체(M.E.A:Membrane electrode assembly) 개발을 완료했다. (표1 참조)
PEM 수전해 시스템(그림 1)은 전기화학 반응이 일어나는 스택(Stack)과 주변설비(BOP)로 구성되며, 스택은 전기화학 단위셀의 집합체이다. 수전해 단위셀(그림2)은 MEA, 급전체, Bi-polar Plate등으로 구성된다. MEA는 수전해 반응이 일어나는 곳으로 막과 전극촉매가 일체화 된 형상을 가진다.

▲ <표1>연도별 PEM 수전해 연구개발 주요 성과.

▲ <그림1>수전해 시스템 장치 외관(左)과 내부도.

▲ <그림2>수전해 단위셀 내 구성 요소.

◇전극촉매 개발

MEA는 수전해 장치에서 물이 분해되어 수소와 산소가 일어나는 곳으로, 수전해 시스템의 성능(효율 및 내구성)에 영향을 미치는 가장 중요한 부분이다. 고성능의 수전해 장치 개발을 위해서는 MEA와 관련된 고성능 전극 촉매, 막에 전극 촉매를 코팅하는 코팅 공정 등의 요소기술 개발이 필요하다.

우리 연구단은 1차 후보 재료로부터 전기화학적 성능, 내구성 등에 대한 자료로부터 후보군을 선정하고, 전기화학적 특성(전압, 안정성), 물성, 가격, 막으로의 코팅 적합성 등을 평가해 전극 촉매를 개발했다.

또한 대형화, 경제성, 제조 용이성을 고려해 막전극 접합체 제조 방법을 개발하였다. 상기 기준하에 선정된 흡착-환원법에 의거, 막전극 접합체에 대해 다양한 전극 촉매를 적용 성능을 평가했다.

▲ ▲막전극 접합체(MEA).

◇고압화 시스템 기술개발

수소 에너지 사회에서 많은 양의 수소를 저장하기 위해서는 고압화가 필요하다. 현재는 수소 고압화를 위해서는 다단의 압축기를 사용한다. 그러나 이 경우 압축에 필요한 에너지 증가로 인한 운전비용의 증가, 압축기 보수 및 유지 어려움, 시스템 복잡화에 따른 투자비 증대의 문제점을 가지고 있다.

이에, 본 연구에서는 전기분해 스택(Stack)에서의 수소 발생 압력을 고압으로 생산하는 연구를 수행하여 다단의 압축기를 제거하고, 이로 인한 운전비 및 투자비 감소를 달성했다. 국외에서도 전기분해 반응기 스택에서 수소를 고압으로 제조하는 것이 가능한 국가는 미국, 프랑스의 극소수 선진국 뿐이다. 국내에서는 본 연구를 통해서 처음 시도됐으며 현재는 세계적인 수준인 150 bar 수준이다.

◇스택 효율 증진 연구

전해 스택의 효율을 50%에서 70% 수준으로 증가시키기 위해서는 일정 전류밀도에서 전기분해셀의 전압을 낮추는 것이 가장 중요하다. 이를 위해서, 산소 발생과 관련한 고효율 촉매개발, 전기분해셀 내부 구성 요소간에 접촉저항 최소화, 스택 조립 시 전기 분해셀 간의 접촉저항 최소화 연구, 전기 분해 셀 내에서의 효과적인 물 분배와 생성된 가스 제거를 위한 구조 연구, 전기분해 반응에서 발생하는 열 제거 등을 통해 스택 효율을 개선했다. 또한, 고효율 스택을 위해 근래에는 동공전극을 이용하여 전극 표면 면적을 극대화해 효율을 증대했으며, 추가적으로 동공전극의 사이즈 및 동공전극에 입혀질 촉매의 종류를 변화시키면서, 스택 효율을 증가시켰다

▲ 수전해 스택(물 전기분해 반응기).

◇대용량 수소 발생용 스택 제작 및 연구

대용량의 수소를 발생하는 스택을 개발하기 위해서는 각 셀간의 조전압 편차를 줄이는 것이 급선무다. 일부 셀의 과전압은 고전류밀도 운전에 문제를 야기시킬 수 있으며, 스택 내구성에 문제를 일으키는 큰 요소이다. 이를 개선하기 위해, 3Nm³/hr 수소 발생용 스택을 제작해, 각 셀 적층 수에 따른 적정한 스텍의 체결력 및 조전압 편차를 줄일 수 있는 Pressure pad 급전체를 개발해 적정한 셀 적층에 대한 조건을 연구하였다.

재생E 연계·경제성, 상용화 ‘가장 유망’

150bar 고압수소 제조 성공…‘세계 수준’

◇촉매감소연구

막 전극 접합체에서 백금량을 감소하기 위해, 백금을 대체하는 Ni(니켈), Pd(팔라듐) 등의 금촉 촉매 전구체를 개발해 막전극 접합체에 적용하여 고가의 백금량은 감소시키고, 효율을 극대화하는 연구가 수행됐다.

◇100bar 수소 발생 전해 시스템 개발

100bar의 수소 발생압력을 가질 수 있는 스택 구성요소 설계 및 제작을 진행하여 평가를 진행했다. 고압의 수소를 제조하기 위한 스택의 구성요소 재설계 및 수치해석을 통한 고압 스택의 구성요소에 대한 평가를 진행했다. 고압 전해 시스템은 시스템 전산 시뮬레이션을 통해 시스템에서의 물질전달, 열전달 등을 확인했으며, 고압의 수소 제조의 안전성을 위한 검증도 전산 시뮬레이션을 통해 검증을 하고, 이를 토대로 고압 시스템을 제작하여 운행했다.

■각국 수전해 연구동향

각 국의 수전해에 대한 연구는 (표 2)와 같다. 미국은 재생에너지와 연계해 고효율 저비용 수소 발생장치에 대한 연구를 진행 중이며, 상용화된 고압 수소발생기의 경우 1Nm³/hr 수소 용량에 165bar의 압력을 갖는다. 일본의 경우, 저가형 MEA와 저가형 분리기(separator)를 연구개발 중이다.

■성과 및 전망

수소사업단 과제를 통해 엘켐텍에서 달성 목표로 삼은 고효율, 고압 수전해 시스템 개발에 대한 기초 연구 및 실 제품에 대한 적용 연구가 완벽히 진행됐다. 연구적 성과로는 스택효율 90%, 수소압력 150bar를 달성했으며 부가적으로는 특허 출원 51건, 특허 등록 20건, 논문 42건, 기술 이전 2건 등의 성과를 나타냈다. 상업적으로는 1~3Nm³/hr 급 수소발생기를 제작해 5개소 이상에서 운전 중에 있다.

향후 국내외에서 주목하며 연구진행 중인 수전해분야는 수전해와 연료전지가 일체화된 재생연료전지(Regenerative Fuel Cell)다. 단일 장치로 필요에 따라 수소 제조 또는 연료전지를 운전할 수 있는 장치로 향후 기대가 되는 기술이다. 하지만, 현재의 기술 수준으로는 해결해야 할 부분이 많은데 특히 내구성이 가장 큰 걸림돌이다. 본 과제를 통해 수소제조와 연료전지에서도 운전 가능한 촉매 등을 개발해 시스템 개발을 위한 교두보를 마련했다.

현재까지 연구단이 개발한 기술은 국내외 경쟁업체 및 타국가와 비교해도 동등 이상의 성능을 가지고 있을 정도로 일정 수준에 도달 한 상태다. 2020년경 시장이 전개될 전망에 따라, 2017년까지 양산화를 진행할 예정이다. 2017년까지는 확보된 기술을 바탕으로 양산화에 대비한 장치의 규모확대(Scale-up), 대량 생산 등을 포함한 장치 및 구성 부품의 내구성 및 신뢰성 확보를 위한 연구가 진행될 예정이다.

▲ <표2>각국의 개발 동향.