월간전기



[신기술]수소 잡아야 미래 시장 선점’…국내 연구진 발 벗고 나서

2020-05-01

수소 잡아야 미래 시장 선점’…국내 연구진 발 벗고 나서 정부, 수소경제 활성화 로드맵으로 관련 연구 적극 지원 지난 4·15 총선에서 여당인 더불어민주당이 압승함에 따라 정부의 수소경제 활성화 정책이 더욱 탄력을 받을 것으로 보인다. 수소 경제는 문재인 정부가 특히 힘을 쏟아붓고 있는 미래 먹거리 분야로 정부는 이를 위한 정책 및 법규 마련에 적극적이다. 수소는 기술만 있다면 지구 어디서든 활용할 수 있어, 지하자원이 부족한 한국에는 세계 미래 에너지 시장을 선점할 기회가 될 수 있다. 이러한 대대적인 국가 정책에 따라 수소와 관련한 기술에도 가속도가 붙고 있다. 이번 호에서는 주목할 만한 수소 관련 기술에 대해 소개하고자 한다. 정리 김수진 기자 자료제공 울산과학기술원, 광주과학기술원, 한국원자력연구원, 한국기초과학지원연구원, 현대자동차 한국은 지난해부터 수소경제 활성화 로드맵을 발표하며 관련 연구를 전폭적으로 지원하고 있다. 덕분에 한국의 수소 정책이나 시장은 전 세계 수소경제의 선두에 나서고 있다. 현재 국내 가장 대표적인 수소 활용 분야는 자동차 시장이다. 현대자동차는 수소전기차 ‘넥쏘’를 출시해 전 세계 3,666대를 판매(지난해 1~10월 기준), 수소차 분야에서 글로벌 판매 1위를 달성했다. 또 한 수소버스와 수소 택시 등도 지속적으로 판매하며 관련 산업을 앞장서 이끌고 있다. 이에 따라 꾸준한 판매와 시장 확대를 위해 전국에 수소충전소 등 인프라 확충도 속도를 내고 있다. 2018년 14기에 불과했던 국내 수소충전소는 지난해 34기로 증가했으며 관련 산업 활성화를 위해 지난해 정부는 울산광역시와 경기 안산시, 전북 완주·전주시를 수소시범도시로 선정, 관련 지원에 적극 나서고 있다. 정부와 산업계의 적극적인 지원이 계속되면서 관련 연구들도 서서히 성과를 보이고 있다. 특히 수소 생산과 운송에서의 경제성 확보를 위한 연구들이 눈에 띈다. 수소를 얻기 위한 전기분해에 사용되는 촉매제와 관련 설비 가격이 비싸다보니 수소 가격은 ㎏당 약 6,000~8,000원 (경유로 환산 시 리터 당 9,000원)으로 해외(1㎏ 당 1,000원 가량)에 비해 고가다. 때문에 수소 가격을 낮추기 위해서는 효율적인 생산·운송 시스템을 갖추는 것은 당면한 과제다. 연잎 물방울 튕기듯 전극 공기 방울 없애 가장 최근 주목받은 연구 성과는 전극에서 공기 방울을 없애 수소 생산 효율을 높인 기술이다. 지난달 울산과학기술원(UNIST)의 류정기·이동욱 에너지 및 화학공학부 교수 공동연구팀이 ‘표면에 미세한 구멍이 많은 고분자 젤’을 물의 전기분해(수전해)용 전극에 코팅해 수소 생산효율을 5배가량 높이는 기술을 개발했다. 이 기술로 새로운 촉매를 개발하지 않고 전극 표면을 코팅하는 것만으로도 수소 생산량을 크게 높일 수 있다. 공동연구팀은 다공성 수화 젤(hydrogel)을 전극 표면에 코팅함으로써 기체 방울을 쉽게 제거하는 방법을 고안했다. 수화 젤은 물을 많이 흡수할 수 있는 고분자물질로 고체의 표면에 코팅하면 기체가 잘 달라붙지 않고 떨어지게 된다. 수전해 시스템의 전극 표면을 수화젤로 코팅해 수소 발생 성능을 측정한 결과, 수소 생산효율이 5배 정도 향상됐다. 이동욱 교수는 “다공성 고분자 수화 젤 코팅을 이용해 다양한 고체의 표면에 ‘초혐기성’(Superaerophobicity, 기체를 싫어해서 밀어내는 성질)을 구현한 최초의 연구”라고 평가하며 “이 기술은 수전해 뿐만 아니라 이산화탄소 자원화 등 다양한 분야에 활용이 가능할 것”이라고 기대했다. [그림 1] 기존의 전극과 초혐기 필름 전극의 수소 기체 발생 효율 비교. (A), (B) 전기화학 반응 도중 보통의 전극(A)과 초혐기 필름 전극(B)의 수소 생성 반응 모식도와 디지털 사진. 초혐기 필름이 코팅된 전극에서 실제로 발생한 수소 기체의 양이 기존 전극에 비해 많았고, 따라서 수소 생성 효율이 높아졌을 것으로 추정할 수 있다. (C) 단위전류량 측정을 통한 일반 전극과 초혐기 전극의 수소 발생 효율의 비교. 기존 전극(1㎠ 당 -50㎃)에 비해 초혐기 전극(1㎠ 당 -250㎃)의 효율이 약 5배 가량 높아짐을 그래프에서 확인할 수 있다. 또한 기존 전극(검정 테두리)과 달리 초혐기 전극의 미세구조의 경우 균일한 크기의 구멍이 일정하게 배치된 것을 미세구조 현미경을 통해 확인했다. 백금촉매 성능향상…수소차 제조 경제성 높아질까 수소전지의 핵심 촉매제인 백금의 성능을 향상한 연구 성과도 눈에 띈다. 광주과학기술원(GIST) 지구·환경공학부 이재영 교수 연구팀은 고립전자쌍을 포함한 탄소를 이용해 수소연료전지 백금 촉매 성능과 내구성을 개선했다고 밝혔다. 연구팀은 이번 성과로 수소 전기차 제조 경제성을 높일 수 있을 것으로 기대했다. 현재 백금은 산소환원반응 촉매로 가장 적합하다는 평가를 받고 있다. 하지만 한정적인 매장량으로 상당히 고가다. 때문에 연료전지의 가격경쟁력을 높이기 위해서는 백금 촉매 양을 줄여야 하고 산소환원반응에서의 성능과 내구성을 향상해야 한다. 이번 연구에서 개발된 백금 촉매는 백금과 질소 원자 간 결합으로 인해 산소환원반응에서 기존 백금 촉매 대비 우수한 성능을 자랑한다. 또한 강력한 원자 간 결합으로 인해 수소연료전지 구동 중에서 용출되는 백금의 양을 최소화해 내구성도 높였다. 연구팀은 볼밀링법을 이용, 질소가 도핑된 탄소를 합성했고 이를 백금 입자의 담체로 사용해 수소연료전지의 산소환원반응 촉매로 적용했다. 질소가 도핑된 탄소에 다량 포함된 고립전자쌍은 담체에 백금 입자를 균일하게 성장시키는 역할뿐만 아니라 산소환원반응을 가속하는 백금과 질소 원자 간의 결합을 형성시키는 것을 확인했다. [그림 2] 백금 촉매 성능 개선 연구 이미지. (뒤쪽) 탄소층 표면에 포함된 질소원자(파란색)의 고립전자쌍으로 인해 백금이온(분홍색)이 정전기적 인력으로 붙으면서 백금 입자(흰색) 성장이 균일하게 된다. (앞쪽) 질소원자에 있던 고립전자쌍이 백금 입자로 이동하여 산소원자가 쪼개져 물이 생성되는 산소환원반응이 원활히 일어난다. 저온에 강한 엔트로피 합금, 원인 밝혀내 부피가 큰 수소를 액화하는 기술도 생산만큼 중요하다. 운송과 보관 등에서 경제성을 확보할 수 있기 때문에 핵심 기술로 손꼽히지만 관련 기술은 호주 등 전 세계 몇몇 국가에서만 활용되고 있는 고난도 기술이다. 그런데 국내에서 액화 수소 관련한 기술력을 높일 수 있는 연구성과가 보고돼 시선을 끈다. 일반적인 금속과는 달리 극저온에서 충격에 강한 ‘엔트로피 합금’이 지난 2014년 네이처(Nature)지에 보고돼 화제가 된 적 있었다. 하지만 당시 그 원인을 알아내지 못했지만 지난 2월 국내 연구진이 그 원인을 과학적으로 규명해내 전 세계적으로 주목을 끌었다. 이번 연구는 액체수소 저온 탱크 사업 등에도 큰 영향을 미칠 것으로 보인다. 한국원자력연구원은 엔트로피 합금이 저온에서 더욱 강한 비밀은 낮은 적층결함에너지에 있음을 규명했다고 밝혔다. 2014년부터 국내 7개 기관 및 9명의 전문가가 참여한 이번 연구의 결과는 네이처의 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports) 2020년 1월호에 게재됐다. 게재 후 한 달여 만에 전 세계적으로 600회가 넘는 논문 다운로드 횟수를 보이며 학계와 산업계에서 큰 관심을 불러일으키고 있다. 연구진은 엔트로피 합금의 적층결함에너지가 산업에서 흔히 쓰이는 스테인리스강 대비 45%에 불과해 일반적인 금속과는 달리 저온에서 충격에 더 강하다는 사실을 밝혀냈다. 연구진은 이번 연구 성과로 엔트로피 합금의 고도화와 관련 산업에도 큰 파급을 가져올 것으로 예상했다. 특히 연 3조 원 규모의 국내 극저온 밸브와 LNG 저장 탱크 및 액체수소 저온 탱크 시장 뿐 아니라 세계적으로 약 50조 원에 달하는 극지 해양플랜트 소재부품 사업에 기초과학적 기반지식 및 생산기술을 제공하는 역할을 할 것으로 보인다. 또한 우주·항공, 수소자동차 등의 첨단 미래 에너지 소재 분야 등으로도 적용 분야의 확대가 가능하다. [그림 3] 엔트로피 합금 연구에서 사용한. 시험용 엔트로피 합금. 합금은 3D프린팅법으로 제작됐다. 생산 효율 높이는 전극 촉매 환경오염 없이 수소연료를 생산할 수 있는 기술도 개발됐다. 2018년 한국기초과학지원연구원(KBSI) 지역본부 서울센터 오아람·백현석 박사팀은 고려대학교 이광렬 교수팀, UNIST 주상훈 교수팀과의 공동연구를 통해, 물을 분해해 수소를 생산하는 과정의 효율을 높이는 새로운 고성능 전극(電極) 촉매를 개발했다. 공동연구진이 개발한 새 촉매는 백금-니켈-루테늄을 사용해 합성한 물질이다. 기존 이리듐-백금 촉매 대비 15배에 이르는 촉매 활성도를 가질 뿐 아니라 10시간 이상의 장기 구동에서도 90% 이상의 성능을 유지해 이리듐-백금 촉매의 수명보다 40%를 훨씬 앞서는 것으로 나타났다. [그림 4] 친환경 고성능 나노물질 전극 촉매 수소 신기술 경제성 평가법 제시 수소를 생산하는 기술의 경제성을 평가하는 방법도 제시돼 수소 경제 구축을 위한 정책 입안에 도움 될 것으로 기대된다. UNIST 에너지 및 화학공학부 임한권 교수팀은 지난해 1월 ‘글리세롤(Glycerol) 수증기 개질반응’을 통한 수소 생산 기술의 경제성을 평가한 내용을 국제 학술지 ‘에너지 컨버전 엔 매니지먼트’(Energy Conversion and Management)에 발표했다. 현재 대부분의 수소는 천연가스 등의 화석연료를 수증기와 반응 시켜 얻기 때문에 생산 과정에서 환경오염을 피하기 어렵다. 그 대안으로 수소를 생산하는 다양한 기술이 활발하게 연구 중이다. 임한권 교수팀은 바이오디젤(Biodiesel) 생산 과정에서 나오는 ‘글리세롤’로 수소를 생산하는 기술에 주목하고 경제성을 분석했다. 말하자면, 버려지는 부산물을 활용해 생산 타당성을 평가한 것이다. 연구진은 1시간 동안 700 ㎥의 수소를 생산하는 ‘분산형 수소충전소’의 규모를 상정하고 공정을 설계했다. 분산형 수소충전소는 수소를 쓸 곳에서 직접 생산하는 시스템을 의미하며 생산 규모는 미국 에너지부에서 제시한 최대치를 따랐다. 공정모사 프로그램을 통해 설계한 글리세롤 수증기 개질반응 공정은 반응온도와 반응물 비율, 유량 등에 따라 생산비용이 달라졌다. 연구진은 가장 저렴하게 수소를 얻을 수 있는 공정을 찾아냈다. 그 결과 수소 1kg의 생산단가는 4.46달러로 계산됐다. 임한권 교수는 “개발 초기 단계 기술들은 불확실성 때문에 경제성을 분석하기 어려웠지만, 불확실성 분석에 쓰이는 기법을 적용하면 통합적인 기술·경제성 분석이 가능하다”며 “다양한 수소 생산 공정의 경제성을 분석하고 관련 정책을 세우는 데 도움 될 것”이라고 전망했다. [그림 5] 글리세롤 수증기 개질반응 통한 수소 생산 공정 개략도 < Energy News >