한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 조영석·윤창원 박사팀은 암모니아로부터 고순도의 수소를 추출하고 전력을 발생시키는 기술을 개발해 대용량의 수소를 장거리 운송할 수 있는 수소운반체로서의 암모니아 가능성을 확인했습니다. 해당 연구는 <Journal of Membrane Science>에 게재됐습니다.
수많은 장점에도 연구 개발이 미흡했던 암모니아 이용한 수소생산기술
재생에너지 기반의 글로벌 청정에너지 공급망 확산이 전 세계적인 이슈로 부상하고 있지만, 재생 전력을 전기의 형태로 장거리 이송하는 데는 많은 제약이 따릅니다. 이러한 이유로 잉여 재생전력을 수소의 형태로 변환하고 생산된 수소를 원하는 곳까지 운반해 이를 활용하는 기술개발에 대한 수요가 크게 증가하고 있습니다.
하지만 기체 형태의 수소는 단위 부피에 저장할 수 있는 양이 작아 한 번에 많은 양의 수소를 운송하기 어렵습니다. 최근 이를 극복하기 위한 전략으로 현재 사용 중인 화석연료의 이송 방법과 유사하게 액상 형태의 화합물을 수소운반체로 활용하는 방법이 제안되고 있습니다.
액상 암모니아는 액체수소보다 같은 부피로 1.5배 가량의 더 많은 양의 수소를 저장(부피대비 수소저장밀도 108kg-H2/m3)할 수 있습니다. 생산과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하는 기존 천연가스 수증기 개질 기반의 수소생산법과는 달리 암모니아는 분해 과정에서 수소와 질소만을 생성합니다. 그러나, 암모니아가 가지는 많은 장점에도 불구하고 암모니아로부터 고순도의 수소를 생산하고 이를 연료전지와 연계해 전기를 생산하는 연구는 상대적으로 개발이 미흡했습니다.
암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매와 저렴하게 생산가능한 분리막 소재 개발
KIST 연구진은, 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매와 저렴하게 생산할 수 있는 분리막 소재를 개발했습니다. 개발한 촉매와 분리막 소재를 결합해 암모니아로부터 수소를 생산하는 반응과 동시에 분리막으로 고순도의 수소를 분리해내는 추출기를 구현했습니다. 개발된 기술은 높은 순도의 수소를 연속적으로 생산할 수 있으며, 별도의 수소 정제장치 없이 연료전지와 직접 연계하여 소형 전력발생장치에도 적용이 가능합니다.
연구진은 암모니아 분해 반응과 동시에 수소를 분리함으로서 분해 반응 온도를 550℃에서 450℃까지 현저히 낮추어 에너지 소비를 줄임과 동시에 수소 생산 속도를 기존 기술 대비 2배 이상 높였습니다. 또한, 자체 개발한 저가금속 기반의 분리막을 활용하여 PSA (Pressure Swing Adsorption) 공정 등 값비싼 분리공정 없이도 99.99% 이상의 순도를 갖는 수소를 생산할 수 있었습니다.
- PSA (Pressure Swing Adsorption)
현재 수소 분리에 가장 많이 사용되고 있는 공정입니다. 혼합기체에서 특정 기체를 분리하는 데에 활용하는 흡착기반의 공정이죠. 기체 분자들이 특정 흡착제에 가지는 흡착평형을 활용해 공정 압력을 조절하여 기체를 분리합니다.
현재 암모니아 운반선을 이용한 대륙 간 운반으로 암모니아에서 수소를 추출하여 활용하는 저장, 운송 관련 인프라는 전 세계적으로 상용화돼 사용되고 있습니다. 이번 연구진의 기술이 이러한 인프라에 활용된다면 수소경제 사회로 들어가는데 한걸음 더 나아갈 수 있을 것으로 예상됩니다.
KIST 조영석 박사는 "본 기술을 기반으로 이산화탄소 배출이 없는 컴팩트한 수소 파워팩을 개발해 드론택시, 무인비행기, 선박 등의 이동수단에 적용하는 후속 연구를 계획하고 있다"고 말했습니다. KIST 윤창원 수소·연료전지연구단장은 "이번 연구 성과는 순수 국내 연구진이 개발한 암모니아 기반 수소 추출·정제 원천기술로서 가까운 미래에 암모니아를 활용한 국내 대용량 수소 공급에 새로운 장을 열 수 있을 것으로 기대한다"고 포부를 밝혔습니다.
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