[월간수소경제 성재경 기자] “열화학 방식의 암모니아 수소추출 시스템이나 촉매에 대한 연구는 활발하지만, 전기분해 방식의 수소추출 기술에 대한 연구는 전무합니다. 국내뿐 아니라 세계적으로도 드물죠. 제가 있는 바로 이곳, 단국대 에너지공학과에서 관련 기술에 대한 선행 연구를 진행해서 원천기술을 확보했고, 이를 사업화하기 위해 지난해 초 에이이에스텍(AES Tech)이라는 회사를 세웠어요. 제품의 조기 상용화를 위한 방안이라 할 수 있죠.”

충남 천안에 있는 단국대 과학기술대학을 찾은 길이다. 에너지공학과 이창현 부교수는 에이이에스텍의 기술총괄(CTO)을 겸하고 있다. 

“미국 MIT 출신의 한국인이 모여 창업한 아모지(Amogy)란 회사가 있어요. 암모니아 기반 수소연료전지시스템 전문기업으로 창업 2년 반 만에 아마존, 아람코, SK이노베이션 같은 회사에서 2억2천만 달러(약 3천억 원)에 이르는 투자를 받아 화제가 됐죠. 아모지는 KIST(한국과학기술연구원)에서 기술이전을 받은 루테늄 촉매를 써서 열화학 방식으로 개질한 수소를 연료전지에 적용했어요. 드론부터 시작해서 트랙터, 대형트럭을 구동하는 데 성공했죠. 에이이에스텍이 다른 점은 전기화학 방식으로 암모니아에서 수소를 분리해낸다는 점입니다.”
 
불소계 음이온교환막 적용한 ‘암모니아 전해 시스템’
무탄소 연료로 수소에너지가 뜨면서 함께 주목을 받은 것이 암모니아다. 재생에너지로 생산한 그린수소나 CCS(탄소 포집·저장)를 통해 생산한 블루수소를 유통하는 가장 현실적인 방안이기 때문이다. 해외에서 생산된 청정수소는 무수(無水) 상태의 액상 암모니아로 국내로 도입될 가능성이 매우 높다. 

이렇게 들어온 암모니아는 석탄발전소 혼소발전에 그대로 쓸 수 있고, 암모니아에서 수소를 추출해 가스터빈 혼소발전에 쓰거나 수소충전소나 연료전지, 수소선박 등에 활용할 수 있다. 

이창현 교수를 따라 1층 연구실로 향한다. 암모니아 테스트 장비에 작은 셀이 물려 있다. 무수 암모니아에 보조전해질(Supporting electrolyte)을 섞어 셀에 공급하는 장치가 앞단에 붙어 있다. 셀 안에 들어온 액상 암모니아에 전기를 흘려주면 수소와 질소로 분해가 된다. 물이 든 플라스크에 박힌 튜브에서 송송 올라오는 기포는 수소와 질소다. 

 

암모니아 탱크는 건물 밖에 놓여 있다. 물이 한 방울도 섞이지 않은 무수 암모니아로 방폭시설에 들어 있다.

 

“알칼라인 수전해나 음이온교환막(AEM) 수전해 셀과 작동 방식이 유사합니다. 약알칼리성을 띠는 암모니아를 NH2^- 음이온으로 해리시켜 분리막으로 이동시키게 되는데, 이 방식이 알칼라인 수전해에서 쓰는 수산화칼륨(KOH)의 음이온(OH^-)이 이동하는 방식과 유사하다는 뜻이죠. 다만 암모니아는 부식성이 강해서 내화학성이 강한 분리막을 써야 해요. 암모니아 전해에 특화된 불소계 분리막을 제조하는 원천기술을 단국대가 확보해서 에이이에스텍에 기술이관을 했죠.”

에이이에스텍 주임연구원을 겸하고 있는 임준현 연구원(단국대 박사과정생)이 물이 든 작은 용기를 들고 온다. 불빛에 병을 비추자 비닐랩처럼 보이는 얇은 막이 또렷이 드러난다. 단국대에서 개발한 분리막 샘플이다.

“정확히 풀어서 말하면 ‘무수 액화 암모니아 전기분해용 음이온 전도성 분리막 샘플’이라고 할 수 있죠. 알칼라인 수전해용 분리막 개발 과제를 통해 관련 기술을 확보했어요. 벨기에 아그파 사에서 알칼라인 수전해용으로 개발한 지르폰(Zirfon) 분리막에 대응하는 기술 확보 차원의 연구 과제였죠. 차압이 생기면 분리막의 다공성 기공으로 수소와 산소가 이동해서 섞이는 일이 생길 수 있어요. 이 기공을 없애 수소와 산소가 섞이는 걸 방지하는 불소계 막을 개발했죠.”

 

이 분리막에 다공성 니켈 메시(Mesh, 그물망) 전극을 붙여 만든 단전지로 기반 연구를 진행했다. 셀 안에 든 암모니아에 전기를 흘리면 수소와 질소로 분해가 된다. 물에 전극을 넣어 전기를 흘리면 수소와 산소가 발생하는 수전해의 원리와 동일하다.

이렇게 나온 수소와 질소는 모두 쓰임이 있다. 수소는 충전소 등에 바로 공급할 수 있고, 질소는 액화해서 판매할 수 있다.

 
“해외에서 들어오는 무수 암모니아를 전기분해해서 고순도 수소를 생산하는 시스템 개발을 목표로 하고 있어요. 고분자전해질 분리막으로 수소와 질소를 분리하기 때문에 다단계 분리·정제 공정이 필요 없죠. 또 전기분해 시 산소가 없어 NOx(질소산화물) 발생 우려가 없습니다. 수전해 대비 절반 이하로 에너지(전기)를 써서 수소생산의 경제성을 확보할 수 있죠.”

분리막은 3,000시간 운전에도 안정적으로 유지됐다. 100℃로 온도를 높인 가혹한 강알칼리 조건인 KOH 상태에서도 막의 손상이 없었다. “이 막이 있으니 알칼라인, AEM 수전해가 되고, 나아가 알칼리 분위기에서 작동하는 암모니아 전해에 대한 아이디어도 낼 수 있었다”는 것이 이창현 교수의 설명이다.

암모니아 전해에 대한 최초의 아이디어는 지난 2010년에 나왔다. 일본 히로시마대학에서 고압용기 안에 판형의 백금 전극을 설치하고, 암모니아 해리를 돕기 위해 보조전해질을 혼합한 무수 액화 암모니아를 채운 후 전기를 가하자 수소와 질소의 혼합가스가 3대 1의 비율로 발생했다. 이후 미국 미시간대학에서 보조전해질의 종류를 바꿔가며 유사 실험을 진행한 사례가 있다. 

 

단국대 연구진은 이 아이디어에서 출발해 암모니아 전기분해 시스템 개발에 도전했다. 2020년에 세계 최초로 암모니아 전기분해 시스템 개발에 성공했고, 원천기술을 보호받기 위한 특허 확보에 나섰다. 또 기술의 조기 상업화를 위해 지난해 3월 에이이에스텍을 설립하고 기술이관 절차도 마무리했다.

“경쟁 기술로 암모니아에 물을 탄 암모니아수를 전기분해해서 수소를 얻는 방법이 있어요. 2몰(mol) 수준의 저농도 암모니아수에 비교적 낮은 전압을 가해 수소를 생산할 순 있지만, 실제 운전을 위해서는 수산화칼륨을 추가로 용해시켜야 합니다. 무엇보다 암모니아 1톤으로 수소를 추출하는 데 30톤의 물이 필요해요. 또 경쟁반응인 수전해 반응에 기반한 산소 발생을 저감하면서 부산물인 NOx 발생을 억제해야 하는 문제를 안고 있죠.” 

 

이보다는 열화학공정을 통한 암모니아 수소추출 기술이 상업용으로 더 큰 주목을 받고 있다. 무수 액화 암모니아를 기화시켜 500~700℃ 정도의 고온에서 열분해하고, 이 과정에서 얻은 수소를 미반응 암모니아, 질소혼합물로부터 다단계 정제공정을 통해 분리하게 된다. 

 

“촉매가 든 암모니아 분해반응기로 수소를 열분해하게 됩니다. 앞서 말한 아모지의 기술이 여기에 들죠. 아모지는 암모니아 분해반응기를 소형화해서 장착한 드론, 트랙터, 대형트럭 주행을 성공시키면서 큰 주목을 받았어요. 여기에 순도가 비교적 낮은 수소로 구동하는 연료전지 기술을 확보하고 있죠. 모빌리티 쪽으로는 암모니아 추진 선박에 활용 가능성이 높은 기술로 보고 있어요.”

에이이에스텍의 기술도 시스템 소형화를 통해 모빌리티 쪽에 적용이 가능하다고 한다. 하지만 현재로서는 암모니아 분해를 통한 수소추출기 시장을 더 크게 보고 있고, 이쪽으로 사업모델을 잡아 기술개발을 진행 중이다. 

올해 한국에너지기술평가원의 지원을 받은 ‘청정수소·암모니아 혁신연구센터’ 과제에 1차 선정된 단국대와 협력해 공동기술개발을 진행하고 있으며, 이 과정에서 기술인력 수급을 통한 기술사업화에 큰 도움을 받고 있다.
 

50Nm³/h급 전기분해 수소추출기 개발에 도전
이창현 교수는 수소 분야 핵심 소재기술에 정통한 분리막 전문가다. 지난 2021년에는 염수(소금물) 전기분해용 분리막 제조기술 등 4건의 핵심 기술을 4개 기업에 이전하면서 18억 원의 계약을 체결한 바 있다. 단국대 개교 이래 최대 금액의 기술이전료에 든다.

이 교수가 책상에 놓인 과불화 음이온교환막 샘플을 보여준다. 분리막을 만드는 과정은 매우 어렵고 까다롭다. ‘이온을 띤 폴리머(중합체)’를 뜻하는 이오노머의 합성·분산 기술이 꼭 필요하다. 이는 PEM(고분자전해질막) 연료전지와 PEM 수전해용 분리막의 핵심 기술이기도 하다. 

 

“PEM은 수소이온만 선택적으로 전달하는 나피온이라는 뛰어난 분리막이 있지만, AEM은 음이온을 잘 전달하는 내구성 좋은 소재가 없어요. 우리가 개발한 불소계 기반의 음이온교환막 같은 경우는 전기화학적 안정성이나 내화학성이 좋죠. 이 분리막이 있기에 암모니아 전기분해 시스템이 가능한 겁니다.”

불소계 음이온교환막을 만드는 과정은 이렇다. 과불화된 레진을 화학반응을 거쳐 음이온교환수지 분말로 만들고, 초임계 분산법을 써서 친환경 용매인 물과 알코올에 이 불소수지를 고르게 분산시키게 된다. 바로 이 분산기술 확보가 핵심이다. 누런 황금빛이 도는 분산액을 이용한 코팅공정을 거쳐 음이온교환막을 만들어낸다. 

 

 

마침 에이이에스텍 전재홍 대표가 교수실을 찾는다. 그는 삼성SDS의 시스템 엔지니어 출신으로 중국 베이징대학에서 MBA를 전공했다. 해외 네트워크, 특히 독일 쪽 기업 네트워크에 밝다. 회사에서 시스템 기술의 사업화와 경영 관리를 책임지고 있다.

 

“DSC인베스트먼트의 자회사인 슈미트가 AC(액셀러레이터)로 참여하고 있죠. 회사 운영에 정부 과제가 큰 힘이 되고 있어요. 중소벤처기업부의 민간주도형 기술창업 지원사업인 ‘딥테크 팁스(TIPS)’ 특화형 과제로 50루베(Nm³/h)급 암모니아 전기분해 수소추출기 개발을 진행하고 있죠. 이 외에도 과기부 과제 2개, 산업부 과제 1개를 병행하고 있습니다.”

 

에이이에스텍은 오는 10월 1Nm³/h급 고효율 스택 모듈을 출시할 계획이다. 여기에 맞는 주변장치 등을 개발해서 시제품이 나오는 대로 규제특례 신청을 받아 강원도 동해에 있는 한국동서발전 부지에서 실증에 나선다는 계획이다. 

 

“기술개발 로드맵을 보면, 내년까지 20루베를 목표로 서브스택 개념의 모듈을 만들고, 그 다음에 모듈 제작이나 운전 로직 등을 최적화해서 2025년에 50루베짜리 시제품을 내는 걸 목표로 하고 있죠. 50루베를 기본으로 해서 시스템을 크게 키워가는 확장형 모듈로 보시면 됩니다.”

 

극성이 잘 유지되는 물과 달리 암모니아는 극성이 낮다. 그래서 무수 암모니아의 전기분해 시 해리(2NH₃ ↔ NH₄⁺ + NH₂^-)를 돕기 위한 보조전해질을 넣게 된다. 에이이에스텍은 첨가제를 넣어 전기분해 특성을 개선한 암모니아를 ‘Super Electolytic Ammonia(S.E.A.)’로 명명했다. 

 

S.E.A 암모니아는 과전압 상승을 최소화해 전압 효율을 향상시키는 역할을 한다. 따라서 최적의 물질과 알맞은 농도를 찾기 위한 S.E.A.의 설계 최적화가 필요하다. 

 

“호주나 중동에서 무수 암모니아를 선박으로 실어 올 때 첨가제를 미리 혼합해서 S.E.A. 형태로 들여오는 것도 가능해요. 초기 운전에 첨가제 비용이 추가되지만, 수소생산 과정에 회수해서 재사용할 수 있기 때문에 경제성 확보는 어렵지 않다고 봅니다. 분리막은 자체 기술이 있고, 니켈 기반 촉매는 유럽에 구축한 네트워크를 통해 상용 제품을 구매해서 쓸 생각이죠.”

 

 

금속분리판의 유로 설계, 매니폴드 설계도 중요하다. 또 스택 대면적화 기술을 확보하고 실증 운전을 통해 압력, 온도 등 운전 최적화를 위한 제어기술을 개발하는 동시에 스택의 크기도 소형화해야 한다. 

 

“세계적으로 열화학공정의 특허를 보유한 곳은 많습니다. 하지만 암모니아 전기분해 관련 특허는 에이이에스텍이 유일하죠. 불소계 분리막 기술을 기반으로 작동 온도를 높이고 전압을 낮춰 시스템 효율을 높여갈 생각입니다. 전체적으로 보면 시스템 최적화, 스케일업, 운전 자동화에 집중해서 시스템 개발을 진행하고 있죠.” 

 

50Nm³/h 스택 모듈 4개를 병렬로 묶으면 200Nm³/h급(1MW급 수전해 시스템의 수소발생량) 시스템이 완성된다. 전재홍 대표는 “2025년에는 이 제품으로 충남에 있는 한국중부발전 부지에서 실증에 나설 계획”이라고 한다.
 
청정수소 운반체로 암모니아 수요 증가
향후 청정암모니아 수요를 감안할 때 무수 암모니아 전기분해 기술은 전망이 밝다. 하지만 그전에 풀어야 할 숙제가 있다. 무수 암모니아를 전기분해하는 기술에 대한 법적인 근거가 전무하기 때문이다. 규제자유특구사업으로 추진하면서 수소법 개정에 대한 근거를 마련하는 일이 중요하다.

 

이창현 교수가 미국 여행 때 찍은 사진 한 장을 보여준다. ‘무수 암모니아(Anhydrous Ammonia)’라는 문구가 선명히 찍힌 탱크로리 사진이다.

 

“미국만 해도 무수 암모니아를 실은 탱크로리가 버젓이 돌아다니지만, 우리나라에서는 연구용, 반도체 세정

같은 특수용도가 아니면 일정량의 물을 타서 유통하고 있죠. 이대로 가면 해외에서 들여온 무수 암모니아를 벙커링 시설을 갖춘 항구에서 바로 처리하거나 운송을 위해 물을 타는 공정을 추가해야 합니다. 지금이라도 공론화해서 이런 비효율적인 부분을 고쳐나가는 노력을 기울여야 해요.”

 

암모니아에 대한 부정적인 인식을 개선할 필요가 있다. “암모니아의 독성이나 폭발 위험성에 대한 부분이 실제보다 크게 부풀려져 있다”는 것이 이 교수의 주장이다.

 

 

“법적인 제도가 다 갖춰진 상태에서 시작하면 이미 늦어요. 규제샌드박스라는 제도를 잘 활용해서 신기술을 선점하면서 제품을 상용화하는 노력을 병행해야 합니다.”

 

전재홍 대표의 생각도 같다. 유럽만 해도 수소운반체로 암모니아를 최우선에 두고 있다. “북아프리카나 중동에서 수전해로 수소를 생산하겠다는 유럽의 기업들은 해외 현지에서 수소를 암모니아로 전환해 유통할 생각이다. 액화수소를 하겠다는 곳은 거의 없다. 기술의 성숙도, 인프라, 운송비 등을 고려하면 암모니아 유통이 현실적”이라고 답한다.  

 

통상 기체는 액체로 변환해 운송한다. 천연가스를 액화한 LNG가 대표적이다. 액체로 바꾸면 더 많은 양을 선박의 화물창이나 차량의 탱크로리로 운송할 수 있다. 

 

암모니아는 부피 대비 수소저장용량이 약 120kgH₂/m³로, 같은 비율인 액체수소의 수소저장밀도(60kgH₂/m³)보다 약 2배가 높다. 암모니아는 끓는점이 영하 33℃에 불과하고, 상온(25℃)에서 8bar의 압력만 가해도 액화가 된다. LPG와 유사한 상변화 특성으로 기존의 저장·운송 인프라를 활용할 수 있다. 

 

중부발전만 해도 삼성물산과 손을 잡고 최근 호주에서 약 100억 달러 규모의 그린 암모니아 프로젝트를 위한 부지 계약을 체결했다. 필바라와 제럴드턴 인근의 2개 부지에 3~4GW에 이르는 대규모 풍력, 태양광 발전단지를 개발하고 여기서 생산한 그린수소를 암모니아로 변환해 유통할 계획이다. 최종 투자 결정을 거쳐 사업이 정상적으로 추진될 경우 상업운전 시점은 2027년으로 예상된다.

 

또 롯데케미칼, 롯데정밀화학은 지난해 11월 미국의 톨그라스 에너지와 CCS 기술을 적용한 블루 암모니아 50만 톤 공급을 위한 업무협약을 맺었다. 청정수소에 대한 수요는 곧 암모니아에 대한 수요 증가로 이어질 공산이 크다.

 

“현재 제주도에서 재생에너지로 그린수소 1kg을 생산하는 비용이 1만6,000원 정도 됩니다. 현재 나와 있는 데이터를 토대로 계산을 해보니, 그린 암모니아를 수입해서 열화학공정으로 수소 1kg을 생산하는 데 2만4,000원 정도가 들어요. 동일한 수입 암모니아에 전기분해를 적용할 경우 1만4,000원에 맞출 수 있죠. 국내에서 그린수소를 생산하는 것보다 재생에너지 여건이 좋은 해외에서 암모니아를 수입해서 수소를 만들어 쓰는 게 더 경제적일 수 있어요.”

 

전재홍 대표가 제시한 수소생산 단가는 가정에 불과하다. 암모니아 전기분해 시스템이 시장에 나온 것도 아니다. 또 2년 뒤에는 수전해를 통한 그린수소 가격이 어떻게 변해 있을지 아무도 모른다.

 

그럼에도 에이이에스텍의 무수 암모니아 전기분해 기술에 주목할 필요가 있다. 고성능·고내구성 전해질 분리막, 비백금계 전극 사용, 전기화학 셀에 최적화한 보조전해질 도입으로 현 단계에서 수전해의 3분의 1 수준에 해당하는 에너지로 동일한 양의 99.9% 이상 고순도 수소를 제조할 수 있다. 또 별도의 수소, 질소 분리장치가 필요 없어 설비를 단순하게 갈 수 있고, 가압도 가능하다.

 

“영상 10℃의 비교적 낮은 온도에서 이뤄진 연구 결과라 승온 최적화를 통해 추가 개선이 이뤄지면 에너지소모량을 더 줄일 수 있는 여지가 있어요. 무수 암모니아를 직접 전기분해해서 NOx 발생을 원천 차단했고, 보조전해질 회수·재사용 기술을 적용해서 스택의 운전비용을 낮출 수 있죠.”

 

 

올해는 애덤 스미스 탄생 300주년이다. 그가 ‘국부론’에서 주장한 ‘보이지 않는 손’은 여전히 유효하다. 시장은 ‘메이드 인 코리아’에 집착하지 않는다. 그린수소도 마찬가지다. 대기업이 컨소시엄을 꾸려 움직이고 있다. 해외에서 청정수소를 생산해서 유통하는 방안이 더 효율적이라는 판단이 섰기 때문이다. 

 

시장에서 암모니아의 수요·공급에 따라 수소가격이 연동되어 움직일 가능성이 높다. 암모니아 전기분해 시스템은 이 시장이 만개하는 시점을 노리고 있다. 개발진을 잘 꾸려 시스템의 완성도를 높여간다면 충분한 승산이 있다. 청정수소 운반체로 암모니아가 인기를 끌수록 주목도가 높아질 기술임에 분명하다.