헬로티 조상록 기자ㅣ

한국에너지기술연구원 수소연구단 김창희 박사 연구진은 물을 전기분해해 최대 84%의 효율로 시간당 2Nm3의 그린수소를 생산할 수 있는 ‘10kW급 알칼라인 수전해 스택’을 자체 개발했다.

수전해 스택이란 공급된 물이 분해되어 실제로 수소가 생산되는 핵심 장치로 전극, 분리막, 분리판, 셀프레임 등의 단위 부품을 필요 출력에 따라 여러 장부터 수백 장씩 쌓아서 만든다.

독일, 일본, 미국 등 해외의 기술 선도국들은 수전해 수소 생산 기술의 중요성을 인식하고 약 20년 전부터 기술 개발을 지속해 현재 약 80% 내외의 효율로 수소 생산이 가능한 MW급 수전해 스택 및 소재·부품 기술을 보유하고 있다.

반면 국내는 수전해 산업 인프라 미비로 관련 소재·부품 원천기술 확보 상황이 열악하고 수전해 스택의 수소 생산 효율도 70% 이하에 그치고 있어 해외 선도 기업과는 큰 기술 격차를 보이고 있다.

또한, 국내 수전해 소재·부품 연구는 원천 소재 레벨에서의 기술 탐색은 많았지만 이런 기술들이 실제 수전해 스택에 적용될 수 있는 스케일의 전극, 분리막으로 확장되지 못했다.

이러한 상황 속에서 연구진은 해외 선도 기업과의 기술 격차를 줄이고 국내 수소 산업의 경쟁력을 확보하기 위해 대면적 수전해 스택을 직접 설계하고 제작할 수 있는 핵심 원천기술 확보와 핵심 소재 및 부품의 국산화를 위한 노력을 기울였다.

연구진은 소재 단위의 스크리닝을 통해 우수 소재 후보군들을 선정했으며, 선정된 소재 후보군들은 약 30cm2 규모의 소형 단위 셀에서 성능을 평가해 대면적 스택으로의 적용 가능성을 검증했다.

소형 셀에서 검증을 마친 후보군들은 약 660cm2 크기의 면적으로 스케일업 하는 과정을 거쳤으며, 스케일업 된 단위 부품들을 20장씩 적층해 마침내 10kW급 수전해 스택을 제작할 수 있었다.

이러한 일련의 과정을 거쳐 최종적으로 10kW급 수전해 스택의 음극, 양극으로 수소발생반응과 산소발생반응에 효과적인 Ni-Al과 Ni-Fe 계열의 다공성 전극을 각각 제작 및 적용했다. 수소와 산소의 이동통로인 분리판은 니켈을 도금해 접촉 저항을 줄이고 내부식성을 강화했다.

또한 누설 전류를 줄이고 스택 내 전해질의 흐름을 원활하게 하는 유로 형상을 개발해 스택 내 셀 프레임에 적용해 각각의 소재·부품 기술이 원활하게 연계된 고효율 수전해 스택을 제작(개발)할 수 있었다.

연구책임자인 김창희 단장은 “현재 개발된 10kW급 알칼라인 수전해 스택은 적층 수를 늘려 100kW급까지 확장이 가능한 형태로 설계되었기 때문에 MW급 수전해 스택 개발을 위한 핵심 기술로 활용이 가능하다“고 밝혔다.