 암모니아에서 고순도 그린수소 뽑아낸다 연구 개발 어디까지 왔나 암모니아를 수소로 분해함과 동시에 정제가 가능한 통합형 분리막 반응기를 개발해 99.99 % 이상의 고순도 수소를 생산하는데 성공했다. 한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 ‘에너지연’) 고온에너지전환연구실 이신근 박사 연구진이 이룬 성과다. 개발한 저온 촉매-분리막 복합 암모니아 개질 기술은 500 ℃ 이하의 저온에서 팔라듐 분리막 반응기를 이용해 암모니아로부터 그린수소를 생산할 수 있는 기술이다. 특히 연구진이 개발한 분리막은 수년간의 연구개발 끝에 국산화에 성공했다는 데 의의가 있다.
정리 편집부 자료 에너지기술연구원
수소 분리막 이용한 암모니아 분해 공정집약형 차세대 기술 청정수소 생산을 위한 여러 방안 중 저압, 고온에서 액체이며 액화 저장과 운송이 용이한 암모니아를 활용해 수소를 생산하는 방법이 주목을 받고 있다. 암모니아에서 수소를 추출하기 위해서는 촉매를 이용한 분해방식을 사용하는데, 일반적으로 이 반응은 400℃ 이상에서 95% 이상이 분해되지만 상용 촉매의 활성이 낮아 분해율을 높이기 위해 600℃ 이상으로 온도를 올려야 한다. 또한 고순도 제조를 위해 PSA(압력스윙 흡착)로 질소를 제거하는데, 질소만 흡착할 수 있는 흡착제의 한계로 고순도 생산이 어렵다.1)
이에 연구진은 팔라듐 분리막과 암모니아 분해 촉매로 100℃ 이상 낮은 온도에서 암모니아를 98 % 이상 분해함과 동시에 정제가 가능한 일체형 분리막 반응기 개발에 성공했다. 기존의 암모니아 기반 수소 추출을 위한 반응기는 암모니아를 분해하는 반응기와 PSA(압력스윙흡착), TSA(온도변동흡착)로 정제를 하는 기술이 복합적으로 구성돼있다. 여기에서 연구진은 PSA, TSA 정제기술 없이 수소 분리막을 사용해 수소 생산과 동시에 정제가 가능하게 만들었다. 수소를 생산과 동시에 정제해 평형반응에서 생성물 제거효과로 르샤틀리에 원리2)에 의해 분해온도를 낮춤과 동시에 고순도 수소생산이 가능하게 만들었다.
분리막 반응기에서 가장 중요한 것은 분리막의 성능과 가격인데 연구진은 기존 팔라듐 분리막의 한계로 인식됐던 비싼 가격과 치밀한 제조가 어려웠던 문제를 ‘무전해도금법’을 개선해 극복했다. 이를 통해 팔라듐 사용량은 절반 이하로 줄이면서 500℃ 이하 저온에서 수소추출이 가능함을 확인했다.3)
연구진이 개발한 다수의 분리막을 반응기에 장착해 실험한 결과 반응기 온도를 100℃ 이상 낮췄음에도 98%의 분해율, 93% 이상의 수소 회수율로 99.99% 이상의 고순도 수소를 2 kg/d 이상 생산 가능함을 공인인증기관을 통해 검증을 완료했다. 특히 개발한 분리막은 대면적이면서 면적 대비 수소 생산량이 2배 이상 높아 세계 최고 수준이며, 분리막 개수를 증가시킴으로써 수소 생산량 확대가 가능하기 때문에 높은 상용화 가능성을 확인했다.
연구성과 요약 기존에 개발한 팔라듐 분리막 코팅 공정의 핵심인 ‘무전해도금법’을 개선하여 팔라듐 사용량을 절반 이하로 사용할 수 있도록 기술을 향상한다. 팔라듐 분리막과 암모니아분해촉매로 구성한 일체형 반응기를 사용하여 100도 이상 낮은 온도에서도 암모니아를 99 % 이상 분해하였으며, 기존 시스템 대비 정제공정 없이 고순도 수소를 생산할 수 있어 콤팩트한 시스템 구성 가능하다.
친환경에너지 및 그린수소 에너지 분야 활용 기대 효율적인 수소 생산, 공급 및 정제시스템에 활용연료전지 수소공급, 플랜트발전 설비, 화석연료 기반개질 설비, 수소스테이션, 청정에너지 기반 개질 설비에 활용이 가능하다. 더 나아가 친환경에너지 및 그린수소 에너지 분야에 폭 넓은 활용이 가능하다.
연구책임자인 이신근 박사는 “분리막 반응기를 사용하여 암모니아에서 수소를 추출하는 기술은 분해반응과 수소정제을 하나로 집약할 수 있기 때문에 미국, 호주, 일본, 유럽 등 선진국에서 수년 전부터 활발히 연구 중인 공정집약형 차세대 기술”이라며 “기술 선진국을 위해서는 우리나라에서도 분리막과 공정집약 연구에 대해 많은 관심과 지원이 필요하다”고 밝혔다.
이번 연구는 에너지연 기본사업과 산업부 알키미스트 사업의 일환으로 수행됐으며, 연구성과는 열역학 분야 저명 학술지인 ‘에너지(ENERGY)’에 게재됐다.
1) 암모니아 분해 반응식 2) 르 샤틀리에 원리(Le Chatelier’s principle) 화학자 르 샤틀리에가 1884도에 발표한 이론으로 화학평형상태가 평형상태에 영향을 주는 변수들이 변하였을 때 변수들의 영향을 상쇄시키는 방향으로 새로운 평형상태에 도달한다는 원리로, 분리막 반응기에서는 생성물인 수소를 연속적으로 제거하기 때문에 정반응 (암모니아 분해반응)을 더욱 촉진하여 낮은 온도에서도 높은 분해율이 가능하다. 3) 무전해도금법(electroless plating) 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않고 금속염을 환원시킬 수 있는 환원제의 에너지로 금속을 환원시켜 석출하는 방법으로 화학도금(chemical plating) 혹은 자가촉매도금 (autocatalytic plating) 이라고도 한다.
<Energy News>
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