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에너지기술연구원 개발 수소생산ㆍ정제 기술 금강CNT서 상용화이신근 책임 팔라듐 분리막 제조...개질기도 완성
한국에너지기술연구원이 개발한 팔라듐 분리막 및 분리막 모듈, 수소 정제기(사진 위). 아래 그림은 팔라듐 분리막의 구조 및 수소투과에 대한 용해-확산 메커니즘을 보여준다.

[취재]복합막 형태의 팔라듐 분리막 제조 기술이 소규모 수준에서 상용화됐다. 이 기술은 최근 정부가 추진중인 수소 경제의 핵심인 수소 생산 및 정제의 요소기술이다.

이를 개발한 한국에너지기술연구원 이신근 책임연구원은 20일 “수도권에 위치한 금강CNT(대표 민윤식)에 기술이전했다”며 “코팅한 팔라듐 소재와 관련해선 현재 소규모지만 매출이 발생하고 있다”고 말했다.

이신근 책임은 “합성가스에서 고순도 수소를 만들기 위한 5㎾급 개질기(연료변환기)는 이미 만들어 팔고 있지만 2년더 보강할 계획이고, 향후 양산을 본격화하기 위해선 50㎾급 개질기 개발이 필요할 것으로 본다”고 말했다.

이 책임은 “최근 정부가 수소차와 연료전지를 양대 축으로 수소경제를 선도할 수 있는 산업 생태계를 구축하고 있기 때문에 이번 기술 개발에 의미가 크다”고 덧붙였다.

이 책임이 개발한 기술은 수소 생산과 정제에 반드시 필요한 복합막 형태의 팔라듐 분리막 제조 기술이다.

팔라듐 분리막은 다른 기체에 비해 수소를 분리, 걸러내는데 우수한 특성이 있다. 특히 분리막 기술은 기존 촉매개질 반응에 비해 효율성이 뛰어나다. 이 때문에 과학기술계 및 산업계가 나도나도 팔라듐 분리막을 연구하고 있는 실정이다.

◇기존기술 뭐가 한계인가

그러나 현재 널리 이용되는 촉매를 이용한 천연가스 기반 수소생산 기술은 고순도 수소를 얻기 얻기 위해 700~900℃의 고온을 거쳐야 한다. 고열 때문에 소재와 장비의 열내구성이 약한 것이 단점이다. 또 분리 공정과 후속 정제 공정도 분리돼 있어 넓은 설치장소와 많은 비용이 소요된다. 소재·시스템 관련 원천 기술마저 국내에는 거의 보유한 곳이 없다.

천연가스 대신 화석연료로 수소생산을 할 경우도 이산화탄소와 같은 온실가스가 배출되는 단점이 있다. 또 재생에너지나 환경 에너지원 기반으로 수소생산을 하면 되지만, 이 또한 공정효율이 낮다는 단점이 있다.

<천연가스 기반 팔라듐 개질기 및 정제기 개요도>

◇어떻게 극복했나.

연구진은 이를 넘어서기 위해 팔라듐 분리막 코팅 공정의 핵심인 ‘무전해도금법’을 독자 개발했다. 이 기술을 이용하면 도금액 내에 포함된 팔라듐을 기존보다 10% 가량 높은 99.5% 이상 활용할 수 있다.

이 기술은 현재 판매되고 있는 팔라듐 포일막 대비 3~5배 낮은 5㎛이하 두께로 코팅해도 고순도 수소를 정제할 수 있다.

연구진은 또 확산방지막 코팅 기술인 ‘블로윙 코팅기술’을 개발했다. 이 기술은 원통형 금속 표면에 100㎚(머리카락 두께의 1000분의1) 이하의 매우 얇은 세라믹 막을 단순하면서도 균일하게 코팅할 수 있다.

이신근 책임은 “이런 기술을 기반으로 직경 2.54㎝, 길이 45㎝의 팔라듐 분리막 제조에 성공했다”며 “이 분리막이 적용된 10Nm3/h(시간당 뉴턴세제곱미터)급 수소정제기도 개발했다”고 밝혔다.

◇향후 풀어야할 과제

시제품을 넘어선 소규모 양산 수준의 상용화는 이뤄 냈지만, 본격 양산체제로 가기 위해서는 풀어야할 숙제가 아직 남아 있다.

<이신근 책임연구원>

당장 팔리듐 분리막 소재가 양산체제에 들어갈 수준은 되지만, 생산 규모를 키우기 위해선 소재의 수소투과도 향상이나 막의 두께를 보다 얇게 하는 성능 향상 등이 다소 필요하다는 것이 이신근 책임의 전언이다.

이 책임은 “50Nm3/h급 수소 정제기 개발이 되면 현지 공급형 수소 스테이션 적용 등이 가능해 질 것으로 본다”며 “지속적인 투자가 이루어지면 정부가 추진하는 수소경제 생태계의 한 축이 만들어질 것”으로 확신했다.

한편 이 연구내용은 분리막 전문 국제학술지 저널 오브 멤브레인 사이언스(Journal of Membrane Science) 최신호에 게재됐다.

박희범 기자  snews@s-news.kr

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