[에너지산업신문]

한국에너지기술연구원이 암모니아를 수소로 분해함과 동시에 정제할 수 있는 통합형 분리막 반응기를 개발해 99.99% 이상의 고순도 수소를 생산하는데 성공했다.

25일 에너지기술연구원에 따르면 고온에너지전환연구실 이신근 박사 연구진은 저온 촉매-분리막 복합 암모니아 개질 기술을 개발했다. 이번 연구는 에너지기술연구원 기본사업과 산업부 알키미스트사업의 일환으로 수행됐으며, 최종 결과는 열역학 분야 저명 학술지 ‘에너지(ENERGY)’에 게재됐다.

이 기술을 이용하면 500℃ 이하의 저온에서 팔라듐 분리막 반응기를 이용해 암모니아로부터 그린수소를 생산할 수 있다. 수년간의 연구 끝에 이 기술에 쓰인 분리막의 국산화에도 성공했다.

청정수소 생산에는 다양한 방법이 있다. 최근 들어 저압·고온에서 액체이며 액화 저장과 운송이 쉬운 암모니아를 촉매를 이용해 분해하는 방법이 주목을 받고 있다. 일반적으로 이 반응은 400℃ 이상에서 95% 이상이 분해되지만 상용 촉매 활성이 낮아 분해율을 높이기 위해 600℃ 이상으로 온도를 올려야 한다. 또한 고순도 제조를 위해 압력스윙흡착(PSA)으로 질소를 제거해야 하는데, 단지 질소만 흡착하기 때문에 수소의 순도가 높지는 않다.

연구진은 팔라듐 분리막과 암모니아 분해 촉매로 100℃ 이상 낮은 온도에서 암모니아를 98% 이상 분해했고, 동시에 정제할 수 있는 일체형 분리막 반응기를 개발했다. 암모니아 기반 수소 추출 반응기는 암모니아 분해 반응기와 압력스윙흡착(PSA), 온도변동흡착(TSA) 등 정제 기술을 적용한 장치로 구성돼 있다.

연구진은 별도의 정제 장치 없이 수소 분리막 반응기에서 수소를 분해하는 동시에 정제할 수 있게 만들었다. 분리된 수소를 계속해서 제거하기 때문에 암모니아 분해 반응이 촉진돼 낮은 온도에서도 높은 분해율을 보인다.

분리막 반응기에서 가장 중요한 것은 분리막의 성능과 가격이다. 연구진은 기존 팔라듐 분리막의 한계인 비싼 가격과 낮은 조직 치밀성을 ‘무전해도금법(자가촉매도금법)’을 개선해 극복했다. 팔라듐 사용량은 절반 이하로 줄이면서 500℃ 이하 저온에서 수소를 추출할 수 있다.

연구진이 개발한 다수의 분리막을 반응기에 장착해 실험한 결과 99.99% 이상의 고순도 수소를 하루 2kg 이상 생산할 수 있었다. 반응기 온도를 100℃ 이상 낮췄음에도 98%의 분해율, 93% 이상의 수소 회수율을 보였다. 이 결과는 공인인증기관을 통해 검증했다.

연구과정에서 개발한 분리막은 대면적이면서 면적 대비 수소 생산량이 2배 이상이다. 이는 세계 최고 수준으로 분리막 개수가 늘어날수록 수소 생산량도 늘어나기 때문에 상용화 가능성도 그만큼 커진다.

연구책임자 이신근 에너지기술연구원 박사는 “이번에 개발한 기술은 분해 반응과 수소정제를 하나로 집약할 수 있다”며 “미국, 호주, 일본, 유럽 등 선진국에서 수년 전부터 활발히 연구 중인 공정집약형 선진 차세대 기술”이라고 말했다.

에너지기술연구원 이신근 박사 연구진이 국산화에 성공한 팔라듐 복합 분리막(위)과 하루 2 kg 수소 생산이 가능한 분리막 반응기(아래). (c)한국에너지기술연구원

에너지산업신문 이호성 knews77@daum.net 이호성의 기사 더보기

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