- 전기화학 반응을 통해 조용하고 효율적으로 수소 압축하는 전기화학적 수소 압축기 개발

수소경제 선도를 위한 노력이 꾸준히 지속되고 있는 가운데, 조용하고 효율적으로 수소를 압축하는 압축기가 개발됐다.

과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 박상진, 이하 기계연)은 중앙대학교(총장 박상규, 이하 중앙대)와 공동 연구를 통해 전기화학 반응을 이용하여 수소를 압축하는 전기화학적 수소 압축기 개발에 성공했다. 수소 사회 활성화를 위한 혁신 기술이 될 것으로 기대된다.

전기화학적 수소 압축기 사진

기계연 탄소중립기계연구소 열에너지솔루션연구실 윤석호 연구실장, 중앙대 김민성, 김동규 교수 공동 연구팀은 수소로 전기를 만드는 연료전지의 특성을 역으로 활용해, 연료전지에 사용되는 분리막에 전류를 가해 수소만을 추출하는 방식으로 수소 압축기 개발에 성공했다.

전기화학 반응을 통해 수소가 장치를 통과하는 과정을 반복하면 장치 후단부에 수소가 쌓이면서 압축이 이루어진다. 연구팀은 수소 압축 시 고압에도 장치가 견딜 수 있도록 장치 내부 구조를 설계하고, 내부 표면처리를 통해 에너지 손실을 방지하여 압축 효율을 극대화했다.

수소차에 수소를 저장하기 위해 수소가 700기압의 압력으로 압축돼야 하므로 수소 충전소에는 그 이상의 압력으로 수소를 압축한 후 수소를 공급해야 한다. 수소를 충전하면 충전소 저장탱크의 압력이 떨어지기 때문에 압력을 높이기 위한 대기시간이 필요하다. 빠르고 효율적인 수소 압축 기술은 대기시간을 줄일 수 있어 수소 공급망 구축에 필수적이다.

피스톤 방식을 포함해 여러 물리적 방식을 활용하는 기존 기계식 압축기의 경우 내구성이 불안하고 효율이 낮다는 단점이 있다. 또한, 압축 과정에서 사용된 윤활유가 섞이는 등 수소가 오염될 수 있으며 소음이 크게 발생해 개선이 필요했다.

반면, 수소 정제 및 압축을 동시에 수행하는 전기화학적 압축기를 사용하면 오염 없이 99.99%의 수소를 추출, 고압으로 압축할 수 있다. 또한 압축기를 확장하여 원하는 규모의 수소를 추출･압축할 수 있다.

이 압축기는 부피가 작아 공간이 협소한 곳에서도 사용할 수 있다. 최근 LPG 충전소에 수소 충전소를 같이 설치하려는 시도가 있으나, 고압 압축기의 크기 제한으로 어려움을 겪고 있는데, 전기화학적 압축기를 활용하면 공간적 어려움을 해소할 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 공간적 이득뿐 아니라 정숙성도 갖추고 있어 도심에서 수소 충전소를 설치하는 데 매우 유리하다. 수소 충전소가 아니더라도 수소 압축이 필요한 곳이라면 어디든 소규모 압축시스템을 구축할 수 있으며, 최근 주목받고 있는 도심형 에너지 제로 하우스에도 적용할 수 있다.

전기화학적 수소 압축 애플리케이션 3D 이미지

기계연 열에너지솔루션연구실 윤석호 실장은 “전기화학적 수소 압축기는 기존 기계식 압축기보다 공간 효율이 높고 소음이 없는 것이 큰 장점”이라며, “기술 상용화에 이를 수 있도록 압축기의 성능을 향상해 도심지역 수소 충전소 보급을 넘어 수소 사회 활성화에 기여하겠다”고 말했다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부의 알키미스트 프로젝트 ‘전기화학적 압축기를 이용한 화학 흡착식 히트펌프 개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다.

문의: 한국기계연구원 탄소중립기계연구소

열에너지솔루션연구실 윤석호 연구실장

042-868-7064 / 010-4155-2027

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