바닷물 수소 생산 걸림돌, 韓 연구진이 제거했다

에너지기술연구원, 해수 산성화해 무기침전물 생성 억제 성공

기존 해수전해조 (음이온교환막)-해수 염기성화가 진행되어 분산 형태의 무기침전물 형성. 사진제공=한국에너지기술연구원.

산성화 기반 해수전해조 (양극성 막)-해수 산성화로 인해 분산형태의 무기침전물 형성이 크게 억제되어 투명한 상태의 해수를 유지. 사진제공=한국에너지기술연구원

[아시아경제 김봉수 기자] 국내 연구진이 바닷물을 이용한 수소 생산 기술 상용화의 걸림돌을 제거하는 데 성공했다.

한국에너지기술연구원은 한지형 해양융복합연구팀 박사 연구팀이 바닷물에서 바로 수소를 생산할 때, 해수 산성화를 유도해 분산형 무기침전물을 완전히 억제하고 전극 계면에서 무기침전물의 성장 속도를 감소시켜 직접해수전해의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술을 최초로 확보했다고 24일 밝혔다.

세계 주요국들은 기후 온난화를 막으려 온실가스 배출이 없는 수소경제 육성에 속도를 내기 위해 ‘수전해’ 기술개발과 설비 확충에 총력을 기울이고 있다. 특히 수전해 설비는 보통 초고순도 정제수 또는 불순물이 없는 20-30% 가성칼륨(KOH) 용액을 전해액으로 사용한다. 이론적으로 수소 1톤을 생산하기 위해서는 9톤의 정제수가, 1톤의 정제수를 얻기 위해서는 2톤의 물이 필요하다. 즉 1톤의 수소 생산에 약 18톤 정도의 물이 필요한 셈이다.

그러나 무한한 수자원인 바닷물을 바로 전해액으로 사용해 그린수소를 생산하는 직접해수전해 기술은 전해액과 관련된 비용과 환경문제를 최소화할 수 있는 기술로 각광받고 있다. 정제/담수화과정에 대한 투자 비용(CAPEX)과 운영 비용(OPEX)을 크게 감축할 수 있다. 알칼라인 수전해에서 필요한 순수 염과 가성칼륨을 제조하는 과정에서의 탄소발자국을 최소화할 수 있어 환경친화적이다.

문제는 환원전극에서 물 환원반응을 통해 수소가 생산되고 해수 염기성화가 진행되면서 해수에 포함된 마그네슘 양이온이 반응해 무기침전물이 형성된다는 것이다. 이 무기침전물은 해수전해의 전류밀도를 크게 감소시키고 흐름 기반 스택 개발에 걸림돌이 되는 만큼 이를 해결할 수 있는 방법이 필요했다.

연구팀은 물 해리반응(Water dissociation:H2O → H+ + OH-)이 일어나는 양극성 막을 격막으로 사용해 추가 화학물질을 사용하지 않고 천연 해수를 산성화시켜 무기 침전을 제어했다. 직접해수전해는 해수를 전해액으로 사용하기 때문에 해수담수화 및 초고순도 공정에 필요한 제반시설에 대한 제약 없이 바다가 인접한 어느 곳에서나 수소 생산을 가능하게 하여 수소경제 활성화에 기여할 수 있다. 또한 이번 연구를 통해 무기침전문제를 해결할 수 있는 방법을 제시함으로써 직접해수전해 스택 개발의 가능성이 더 높아졌으며, 부유식 해상 풍력 플랫폼과의 연계 시스템을 통한 해양그린수소 생산을 기대할 수 있다.

한 박사는 "양극성막(격막)과 해수(전해액)의 조합은 전기화학 연구에서 최초의 사례이며 해수 산성화라는 새로운 현상을 발견했다"며 "이번 연구결과를 통해 직접해수전해의 성능과 안정성을 높일 수 있는 원천기술을 확보했고 대용량 스택 개발의 가능성을 크게 높였다"고 설명했다. .

이번 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr