투과율 5배↑, 99.999% 고순도 수소 값싸게 만든다

[아이뉴스24 최상국 기자] 현재 전 세계 수소 공급량의 90% 이상은 천연가스에서 수소를 분리해서 만드는 '추출 수소'가 차지하고 있다. 천연가스의 주성분인 메탄을 고온의 수증기로 열분해하는 방식이다. 하지만 고온 열분해 공정은 이산화탄소, 일산화탄소 등 불필요한 성분들을 흡착·제거하는 복잡한 공정이 필요해 수소 가격상승의 요인이 되고 있다.

이를 극복하기 위한 대안으로 주로 연구되는 분리막을 이용한 수소 정제 기술은 간단하고 모듈화가 쉬워 경제적이고 효율적으로 고순도 수소를 생산할 수 있는 잠재력을 지니고 있지만 고가의 귀금속인 팔라듐을 사용해야 하는 것이 약점이다.

KIST 수소·연료전지연구단 한종희·조영석 박사팀은 팔라듐 사용을 최소화하면서도 기존 대비 5배 이상 높은 수소 투과율을 보이는 고성능 복합 분리막을 개발했다고 13일 밝혔다. 이를 통해 정제된 수소는 99.999% 이상의 고순도로 수소전기차에도 바로 활용이 가능한 수준이어서 수소 생산 가격을 크게 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

KIST 연구진은 높은 수소 투과도 및 순도와 경제성을 함께 갖춘 금속 복합 분리막 소재를 개발하던 중 주기율표 5족에 속하는 전이금속들에 팔라듐을 얇은 두께로 증착시킨 결과 5족 금속의 높은 수소 투과율과 팔라듐의 우수한 수소 분리 특성을 동시에 구현하는 금속 복합 분리막을 제작할 수 있었다고 밝혔다.

연구팀이 개발한 분리막은 바나듐(V), 니오븀(Nb), 탄탈럼(Ta) 기반의 금속에 팔라듐(Pd)을 얇게 증착한 것이다.

연구팀은 이 기술이 수소 생산 플랜트, 천연가스 개질 분리막 반응기, 수소충전소에 적용될 수 있으며, 상용화를 위해서는 분리막의 대면적화 및 내구성 확보가 필요하다고 설명했다.

한편 연구진은 이번 연구 과정에서 기존에 알려진 금속 복합 분리막의 수소 투과율 계산이 수소 용해도와 확산도를 잘못된 온도 영역에서 합산하며 발생한 오류라는 사실도 밝혀냈다. 금속 분리막의 수소 투과 현상을 이해하는 법칙으로 활용되는 '시버트의 법칙'으로 설명이 되지 않던 탄탈럼(Ta), 니오븀(Nb), 바나듐(V) 등의 수소 투과 특성을 학계 최초로 재규명한 것이다.

연구논문 제1저자인 KIST 조영석 박사는 “연구팀이 제시한 수소 투과 모델과 분리막 실험 결과가 금속 복합 분리막의 투과 특성을 새롭게 이해하는 데 도움이 되기를 바란다”라고 말했다.

교신저자인 한종희 KIST 청정신기술연구소장 “국내 연구진이 개발한 수소 정제 원천기술이 기존 수소 정제 공정의 효율성 개선과 수소 가격 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업으로 수행됐으며, 연구 결과는 '저널 오브 멤브레인 사이언스(Journal of Membrane Science)' 최신호에 게재됐다.

◇논문명 : Unconventional Hydrogen Permeation Behavior of Pd/BCC Composite Membranes and Significance of Surface Reaction Kinetics◇주저자 : 이찬현(KIST 수소·연료전지연구단 위촉연구원, 現에너지기술연구원), 조영석(KIST 수소·연료전지연구단 선임연구원, 이상 제1저자), 한종희(KIST 청정신기술연구소 책임연구원, 교신저자)