▲ 연구진이 10kW 알칼라인 수전해 스택의 운전 조건을 확인하고 있다.(사진=에너지연)

[월간수소경제 성재경 기자] 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 수소연구단 김창희 박사 연구진이 물을 전기분해해 최대 84%(HHV 기준)의 효율로 시간당 2N㎥의 그린수소를 생산할 수 있는 ‘10kW급 알칼라인 수전해 스택’을 자체 개발했다고 밝혔다. 

연구진은 이 스택으로 1,008시간을 운전하는 동안 82%의 수소 생산 효율을 유지함으로써 성능과 내구성을 검증하는 데 성공했다.

이번 연구는 2020년에 성공한 ‘부하변동 대응형 수전해 스택 설계 기술’ 개발에 이어 한발 더 나아가 스택의 핵심 소재와 부품을 전량 자체 개발하고, 1,000시간 이상 구동해 안전성과 내구성을 확인했으며, 장시간 구동에도 세계 최고의 효율을 얻는 등 매우 뛰어난 성과를 입증한 것이다.

수전해 스택에는 전극, 분리막, 분리판, 셀프레임 등의 단위 부품을 필요 출력에 따라 여러 장부터 수백 장씩 쌓아서 만들게 된다.

▲ 1,008시간 운전을 마친 10kW 알칼라인 수전해 스택.(사진=에너지연)

▲ 세 명의 연구진이 스택에 들어간 전극과 분리막을 들고 있다.(사진=에너지연)

독일, 일본, 미국 등 해외의 기술 선도국들은 수전해 수소생산 기술의 중요성을 인식하고 약 20년 전부터 기술개발을 지속해 현재 약 80% 내외의 효율로 수소생산이 가능한 MW급 수전해 스택 및 소재부품 기술을 보유하고 있다.

반면 국내는 수전해 산업 인프라 미비로 관련 소재·부품 원천기술 확보 상황이 열악하고 수전해 스택의 수소 생산 효율도 70% 이하에 그치고 있어 해외 선도 기업과는 기술 격차가 큰 편이다.

또 국내 수전해 소재·부품 연구는 원천 소재 단계에서 기술 탐색은 많았지만 이런 기술들이 실제 수전해 스택에 적용될 수 있는 수준의 전극, 분리막으로 확장되지는 못했다.

이러한 상황 속에서 연구진은 해외 기업과의 기술 격차를 줄이고 국내 수소 산업의 경쟁력을 확보하기 위해 대면적 수전해 스택을 직접 설계하고 제작할 수 있는 핵심 원천기술 확보와 핵심 소재와 부품의 국산화를 위해 노력해왔다.

연구진은 2020년에 태양광, 풍력 등과 같이 간헐성과 변동성이 큰 재생에너지를 이용해 안정적이며 고효율로 수소를 생산할 수 있는 ‘부하변동 대응형 수전해 스택 설계 기술’ 개발에 성공한 바 있다.

효율적인 연구 수행을 위해 소재-부품-장비의 단계로 이어지는 연구 계획을 수립하고, 각 단계마다 검증 과정을 거쳤다. 우선 소재 단위의 심사를 통해 우수 소재 후보군들을 선정했으며, 선정된 소재 후보군들은 약 30㎠ 규모의 소형 단위 셀에서 성능을 평가해 대면적 스택의 적용 가능성을 검증했다.

소형 셀에서 검증을 마친 후보군들은 약 660㎠ 크기의 면적으로 스케일업하는 과정을 거쳤으며, 크기를 키운 단위 부품들을 20장씩 적층해 마침내 10kW급 수전해 스택을 제작할 수 있었다.

이러한 일련의 과정을 거쳐 최종적으로 10kW급 수전해 스택의 음극, 양극으로 수소발생반응과 산소발생반응에 효과적인 니켈-알루미늄과 니켈-철 계열의 다공성 전극을 각각 제작해 적용했다. 수소와 산소의 이동통로인 분리판은 니켈을 도금해 접촉 저항을 줄이고 내부식성을 강화했다.

또한 누설 전류를 줄이고 스택 내 전해질의 흐름을 원활하게 하는 유로형상을 개발해 스택 내 셀 프레임에 적용, 각각의 소재부품 기술이 원활하게 연계된 고효율 수전해 스택을 제작(개발)할 수 있었다.

이번 10kW급 고효율 알칼라인 수전해 스택기술의 개발과 장시간 운전을 통한 성능 및 내구성 검증 결과는 순수 국내 기술로 핵심 소재와 부품까지도 국산화해 이룬 성과로 해외 선도 기업 대비 가격과 기술 경쟁력을 확보할 수 있는 교두보를 마련했다는 데 큰 의미가 있다.

연구책임자인 김창희 단장은 “현재 개발된 10kW급 알칼라인 수전해 스택은 적층 수를 늘려 100kW급까지 확장이 가능한 형태로 설계되어 MW급 수전해 스택 개발을 위한 핵심 기술로 활용이 가능하다”고 밝혔다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 기후변화대응기술개발사업의 일환으로 2015년부터 약 5년간 차세대 알칼라인 수전해 원천기술 확보를 목표로 진행됐으며, 연구 기간 동안 수요 기업으로 3건의 기술이전을 완료했다.

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