기술과 솔루션
암모니아로부터 고순도 수소를 대용량으로 생산, 수소경제 사회로 한걸음 더
작성자 : 편집부
2020-08-19 |
조회 : 1518
- 암모니아로부터 수소생산과 동시에 정제하는 고효율 수소추출기 개발
- 화학적 수소저장기술로 향후 수소충전소 및 무인 비행체 등에 활용 기대
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구단 조영석·윤창원 박사팀은 암모니아로부터 고순도의 수소를 추출하고 전력을 발생시키는 기술을 개발하여 대용량의 수소를 장거리 운송할 수 있는 수소 운반체로서의 암모니아 가능성을 확인했다고 밝혔다.
재생에너지 기반의 글로벌 청정에너지 공급망 확산이 전 세계적인 이슈로 부상하고 있지만, 재생전력을 전기의 형태로 장거리 이송하는 데는 많은 제약이 따른다. 이러한 이유로 잉여 재생전력을 수소의 형태로 변환하고, 생산된 수소를 원하는 곳까지 운반하여 이를 활용하는 기술개발에 대한 수요가 크게 증가하고 있다.
하지만 기체 형태의 수소는 단위 부피에 저장할 수 있는 양이 작아 한 번에 많은 양의 수소를 운송하기 어렵다. 최근 이를 극복하기 위한 전략으로 현재 사용 중인 화석연료의 이송 방법과 유사하게 액상 형태의 화합물을 수소 운반체로 활용하는 방법이 제안되고 있다.
액상 암모니아는 액체수소보다 같은 부피로 1.5배가량의 더 많은 양의 수소를 저장(부피대비 수소저장밀도 108kg-H2/m3)할 수 있다. 생산과정에서 다량의 이산화탄소를 배출하는 기존 천연가스 수증기 개질 기반의 수소생산법과는 달리 암모니아는 분해 과정에서 수소와 질소만을 생성한다.
그러나, 암모니아가 가지는 많은 장점에도 불구하고, 암모니아로부터 고순도의 수소를 생산하고 이를 연료전지와 연계하여 전기를 생산하는 연구는 상대적으로 개발이 미흡하였다.
KIST 연구진이 개발한 암모니아 기반 분리막 반응 수소추출 장치
KIST 연구진은, 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매와 저렴하게 생산할 수 있는 분리막 소재를 개발하였다. 개발한 촉매와 분리막 소재를 결합하여 암모니아로부터 수소를 생산하는 반응과 동시에 분리막으로 고순도의 수소를 분리해 내는 추출기를 구현하였다.
개발된 기술은 높은 순도의 수소를 연속적으로 생산할 수 있으며, 별도의 수소 정제장치 없이 연료전지와 직접 연계하여 소형 전력 발생 장치에도 적용할 수 있다.
연구진은 암모니아 분해반응과 동시에 수소를 분리함으로써 분해반응 온도를 550℃에서 450℃까지 현저히 낮추어 에너지 소비를 줄임과 동시에 수소 생산속도를 기존 기술 대비 2배 이상 높였다. 또한, 자체 개발한 저가금속 기반의 분리막을 활용하여 PSA (Pressure Swing Adsorption)* 공정 등 값비싼 분리공정 없이도 99.99% 이상의 순도를 갖는 수소를 생산할 수 있었다.
* PSA(Pressure Swing Adsorption): 현재 수소 분리에 가장 많이 사용되고 있는 공정. 혼합기체에서 특정 기체를 분리하는 데에 활용하는 흡착기반의 공정. 기체 분자들이 특정 흡착제에 가지는 흡착평형을 활용하여, 공정 압력을 조절하여 기체를 분리함.
현재 암모니아 운반선을 이용한 대륙 간 운반으로 암모니아에서 수소를 추출하여 활용하는 저장, 운송 관련 인프라는 전 세계적으로 상용화되어 사용되고 있다. 이번 연구진의 기술이 이러한 인프라에 활용된다면 수소경제 사회로 들어가는데 한 걸음 더 나아갈 수 있을 것으로 예상된다.
KIST 조영석 박사는 “본 기술을 기반으로 이산화탄소 배출이 없는 컴팩트한 수소 파워팩을 개발해 드론 택시, 무인비행기, 선박 등의 이동수단에 적용하는 후속연구를 계획하고 있다”고 말했으며, KIST 윤창원 수소·연료전지연구단장은 “이번 연구 성과는 순수 국내 연구진이 개발한 암모니아 기반 수소추출·정제 원천기술로서, 가까운 미래에 암모니아를 활용한 국내 대용량 수소공급에 새로운 장을 열 수 있을 것으로 기대한다”고 포부를 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업, 한국에너지기술평가원 “신재생에너지핵심기술개발사업”으로 수행되었으며, 연구결과는 분리막 분야 권위지인 ‘Journal of Membrane Science’ (JCR 분야 상위 2.809%) 7.26 일자로 온라인 게재되었다.
* 논문명: A Catalytic Composite Membrane Reactor System for Hydrogen Production from Ammonia using Steam as a Sweep Gas
- 제1저자: 한국과학기술연구원 박용하 박사후연구원
- 교신저자: 한국과학기술연구원 조영석 선임연구원
- 교신저자: 한국과학기술연구원 윤창원 책임연구원
