- 전기화 기술로 촉매 반응 속도와 수소 추출 효율을 극대화한 수소 경제 핵심기술 개발

- 신속하고 안정적인 수소 공급이 가능하여, 온보드 수소 모빌리티에 직접 적용할 것으로 기대

국내 연구진이 전기화를 통해 우수한 수소 추출 효율 및 반응 속도까지 확보한 수소 경제 핵심기술을 개발하였다.

한국화학연구원 김상준·박지훈 박사, 서울대학교 한정우 교수 공동연구팀은 화석연료 대신 전기로 촉매를 직접 가열하는 ‘전자기 유도 촉매 가열 시스템(ECIHS)*’을 도입했다. 이를 통해 촉매 반응 속도와 수소 추출 효율을 대폭 향상시키는 수소 저장·운송 기술을 개발했다.

* ECIHS: Electrified Catalytic Inductive Heating System

16.4배 빠르게 반응하고 2배 이상 더 효율적인 수소 저장·운송 기술을 

개발한 한국화학연구원 김상준 박사 연구팀

(오른쪽부터 김상준 선임연구원, 강동권 학생연구원)

글로벌 탄소중립 기조에 따라 친환경 에너지 사용 기술 개발이 시급한 가운데, 수소 에너지는 청정한 에너지원으로 주목받고 있다. 특히 정부가 발표한 ‘12대 국가전략기술’ 중 하나로 포함되며, 그 중요성이 더욱 부각되고 있다.

하지만 수소는 부피가 크고 폭발 위험이 높아 안전하고 효율적인 저장·운반 기술이 반드시 필요하다. 이를 해결하는 ‘액상 유기물 수소 운반체*(LOHC)’ 기술은 수소를 액체 상태로 상온·상압에서 안전하게 저장 및 운반할 수 있다. 또한, 기존 유조차를 활용해 운송가능하여 추가 인프라 비용을 절감할 수 있는 큰 장점이 있다.

* LOHC: Liquid Organic Hydrogen Carrier

전자기 유도를 활용한 촉매 가열 시스템 및 활용 모식도

▲ 연구팀은 전기 유도가열 촉매 직접 발열 시스템을 통해 액상 유기 수소화물에서 빠르게 수소를 추출하는 기술을 구현함으로써 다양한 수소 모빌리티사회에 활용될 수 있는 원천기술을 확립함.

▲ 본 이미지는 재생에너지로부터 얻은 전기를 활용해서 전기 유도가열 촉매 직접 발열 시스템의 전력을 공급하고, 액상 유기 수소화물에서 수소를 빠르게 고효율적으로 추출하는 모식도이며, 이 기술로 활용될 수 있는 수소 모빌리티 사회를 표현함.

그러나 기존 LOHC 수소 추출 방식은 외부에서 반응기를 가열하는 방식을 주로 사용해, 에너지 소모가 크고 반응 속도가 느리며 부수 반응이 발생하는 등의 문제를 해결하여 수소 추출 효율을 더욱 향상시키는 연구가 필요하다.

특히 기존의 LOHC 수소 추출 방식이 액체 상태인 반응물(LOHC)과 고체 상태의 촉매, 그리고 기체 상태의 생성물인 수소가 섞이는 복잡한 환경에서, 불가피하게 외부에서 촉매를 직접 가열할 수밖에 없었다.

전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템 성능

▲ 반응기 외부에서 가열 열선을 활용한 기존 촉매 반응 방식과 본 연구에서 새롭게 고안한 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템의 개념 모식도

▲ 기존 외부 촉매 가열 방식은 액상 유기 수소화합물의 촉매 반응에 필요한 수소 추출 온도인 300℃까지 도달할 때까지 742초가 걸리는 반면, 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템은 보다 빠른 52초가 걸림.

▲ 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템은 기존 외부 촉매 가열 방식 대비 16.4배 빠른 수소 추출 능력을 보임.

이를 개선하기 위해 연구팀은 ‘전자기 유도 촉매 가열 시스템’ 방식을 도입했다. 전기로 촉매를 직접 가열하여 기존 기술 대비 월등히 빠른 반응 속도와 수소 추출 효율, 안정성 등을 확보하였다.

전자기파를 이용해 촉매 자체에서 열을 발생시키는 이 방법은, 반응 용액 전체를 가열하지 않고 필요한 부분만 빠르게 가열하여 에너지 손실을 줄이고 반응 속도를 향상시킬 수 있다.

이를 위해 연구팀은 전자기파에 의해 효율적으로 발열되는 특수한 소재인 ‘티타늄 실리콘 카바이드*’를 벌집 모양의 촉매 지지체로 활용하여 열 전달 효율을 높였다. 또한 촉매의 반응 성능을 높이기 위해 백금(Pt)에 황(S)을 첨가한 촉매를 사용하여, 적은 발열 에너지로도 효율적인 수소 추출이 가능하도록 했다.

* Titanium Silicon Carbide(Ti3SiC2): 금속과 세라믹의 성질을 동시에 가진 독특한 소재로, 촉매 반응에서 열을 효과적으로 전달하는 특성을 가짐.

전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템을 통한 연속 수소추출

▲ (왼쪽) 액상 유기 수소화합물에서 수소 추출을 하기 위해 연속적으로 흘려줄 수 있는 시스템을 고안하였고, 이를 기존 외부 촉매 가열 방식과 본연구의 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템과 비교하여 연속적으로 수소를 추출할 수 있는 성능을 평가함.

▲ (가운데) 같은 유속으로 액상 유기 수소화합물을 흘려주는 조건에서 본 연구의 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템에서는 80% 이상 높은 수소 추출 효율로 연속적인 수소 추출이 가능한 반면, 기존 외부 촉매 가열 방식은 추출 효율이 40% 이하로 낮았음.

→ 기존 외부 촉매 가열 방식 대비 2배 이상의 높은 수소 추출 효율을 보였음

▲ (오른쪽) 200시간 연속 수소 추출 실험을 통해 LOHC에서 수소를 안정적으로 추출하는 성능을 평가한 결과를 보여줌. 해당 실험은 온보드 수소 공급 시스템, 예를 들어 수소 자동차와 같은 실제 적용 환경에서 수소가 지속적이고 안정적으로 공급될 수 있는지 확인하기 위한 것으로, 실험 결과 200시간 동안 높은 효율을 유지하며 안정적으로 수소를 추출할 수 있음을 확인함.

전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템 성능(전환 속도 & 전력 소비)

▲ 반응기 외부에서 가열 열선을 활용한 기존 촉매 반응 방식과 본 연구에서 새롭게 고안한 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템의 수소 전환 효율 속도와 수소 생산 시 요구되는 전력을 비교한 그래프

▲ 수소 전환효율(TOF) 속도는 10배 상승하였으며, 수소 추출 시 요구되는 전력 소모는 1.75배 감소(기존 대비 약 40% 감소)하였음

그 결과, LOHC 물질에서 수소를 추출하는 과정에서 기존 외부 가열 방식 대비 16.4배 빠른 반응 속도와 2배 이상의 높은 수소 추출 효율을 달성하였다. 또한, 200시간 이상 안정적인 수소 생산을 통해 장기적인 안정성도 입증하였다.

연구팀은 모형 수소차 실험을 통해 3초 내에 수소 발생, 11.34초 만에 수소차 운행이 가능함을 확인했다. 이를 통해 온보드(On-Board) 수소 모빌리티로의 직접 적용 가능성을 입증했다.

전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템을 통한 모형 수소차 테스트

▲ 수소 경제의 꽃인 수소 모빌리티에 활용성 여부를 판단하기 위해서 수소 연료전지가 탑재된 (모형)수소차 운전 테스트 실험을 실증함.

▲ 수소차에 본 연구 시스템이 활용되기 위해서는 빠른 수소 추출 능력과 대용량의 수소가 추출되어야 하는 한계를 극복해야 함.

▲ 본 연구 시스템으로 수소를 추출한 후, 바로 호스를 연결하여 추출된 수소 기체가 수소차에 수소를 공급할 수 있도록 한 후 추출 시스템의 전원이 ON 된 시점에서 수소차를 운행할 때까지 실증한 결과, 전자기 유도를 활용한 촉매 발열 시스템은 3초 이내에 수소가 발생함을 확인하였으며, 11.34초에 수소차 운행이 가능함을 확인함. 그러나 기존 외부에서 촉매를 가열하는 방식의 수소 추출 시스템은 8분이 지나서야 수소가 추출되며, 이마저도 추출되는 양이 적어 수소차를 운행할 수 없었음. 또한 수소를 추출할 때 사용되는 소비전력도 전자기 유도 촉매 발열 방식이 기존 방식 대비 절반 수준임.

화학연 김상준 박사는 “이번 성과는 액상 촉매 반응의 비효율성을 극복하고 수소 경제 핵심 기술로 자리 잡을 가능성을 보여준다”면서, “향후 지속적인 연구를 통해 수소 기술 상용화를 추진하겠다”고 밝혔다.

이번 연구는 에너지 분야의 권위지인 ‘줄(Joule, IF: 38.6)’ 8월 호에 게재되었으며, 한국화학연구원 자체 사업인 K-solution R&D 사업의 지원을 받아 수행되었다.