수소경제 앞당긴다…암모니아서 고순도수소 대량 생산기술개발

KIST 연구팀 "수소 생산·정제 동시에…암모니아의 수소 저장·운반체 활용 가능성 확인"

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 조영석·윤창원 박사팀은 6일 암모니아에서 수소연료전지에 직접 사용할 수 있을 정도의 고순도 수소를 대용량으로 추출하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

수소 연료는 이산화탄소 발생이 없는 청정에너지로 주목받으며 최근 연료전지 자동차 등에 널리 활용되지만 아직 저렴하고 효율적이며 안전한 생산·운반·저장 기술이 부족해 산업에 폭넓게 적용하는 데는 어려움이 있다.

특히 태양광이나 잉여전력 등을 이용해 수소를 생산하는 연구가 활발하지만 생산된 수소 기체는 단위 부피에 저장할 수 있는 양이 적어 한 번에 많은 양을 운송하기 어렵다. 최근 이를 극복하기 위해 액상 암모니아를 수소 저장·운반체로 활용하는 방법이 연구되고 있다.

암모니아는 수소보다 훨씬 높은 온도에서 액화시킬 수 있고 액상 암모니아는 액체수소보다 같은 부피로 1.5배가량의 더 많은 양의 수소를 저장(수소저장밀도 108kg-H₂/㎥)할 수 있다. 하지만 암모니아에서 고순도의 수소를 생산, 이를 연료전지와 연계해 전기를 생산하는 연구는 상대적으로 개발이 미흡한 상태다.

연구팀은 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매의 효율을 높이고 저렴하게 생산할 수 있는 수소분리막 소재를 개발, 암모니아로부터 수소를 생산하는 반응과 동시에 자체 개발한 저가금속 기반의 분리막으로 고순도 수소를 분리해내는 추출기를 만들었다.

생산된 수소는 현재 수소 분리에 많이 사용되는 공정(PSA)을 거치지 않아도 순도가 99.99% 이상으로 높아 별도 정제장치 없이 바로 연료전지에 공급, 전력생산에 이용할 수 있다.

또 촉매의 효율을 높이고 암모니아 분해 반응과 동시에 수소를 분리, 분해 반응 온도를 기존 550℃에서 450℃까지 낮추고 수소 생산속도는 기존 기술 대비 2배 이상 높였다.

연구팀은 현재 암모니아는 운반선을 이용한 대륙 간 운반과 수소 추출·활용·저장·운송 관련 인프라가 상용화돼 있다며 이번에 개발한 기술이 이런 인프라에 활용돼 수소경제 사회로 진입하는 데 기여할 것으로 기대했다.

조영석 박사는 “이 기술을 기반으로 이산화탄소 배출이 없는 컴팩트한 수소 파워팩을 개발, 드론택시, 무인비행기, 선박 등 이동수단에 적용하는 후속연구를 계획하고 있다”고 말했다.

KIST 주요 사업과 한국에너지기술평가원 ‘신재생에너지핵심기술개발사업’ 등 지원으로 수행된 이 연구 결과는 분리막 분야 국제학술지(Journal of Membrane Science)에 게재됐다.

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