에너지연구원 '암모니아서 고순도 수소 생산·정제 한번에'

수소 분리막 이용 암모니아 분해로 이산화탄소 배출 없어

반응과 동시에 수소정제, 추가 공정 없이 99.99% 이상 고농도 생산

분리막 반응기로 반응온도 낮춰…국제 학술지 게재

[대전=뉴시스] 수소분리막을 이용한 암모니아분해 수소생산 기술 원리. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국에너지기술연구원은 고온에너지전환연구실 이신근 박사팀이 암모니아를 수소로 분해하고 동시에 정제까지할 수 있는 통합형 분리막 반응기를 개발해 99.99% 이상의 고순도 수소를 생산하는데 성공했다고 25일 밝혔다.

이번에 개발한 '저온 촉매-분리막 복합 암모니아 개질' 기술은 500℃ 이하의 저온에서 팔라듐 분리막 반응기를 이용해 암모니아로부터 그린수소를 생산할 수 있는 국산기술이다.

촉매를 이용해 암모니아에서 수소를 추출하는 분해 방식은 400℃ 이상에서 95% 이상 분해되지만 상용 촉매의 활성이 낮아 분해율을 높이기 위해 600℃ 이상으로 온도를 올려야 한다. 또 고순도 제조를 위한 PSA(압력스윙흡착)는 질소만 흡착할 수 있어 고순도 생산이 어렵다.

이번에 이 박사팀은 팔라듐 분리막과 암모니아 분해 촉매로 기존보다 100℃ 이상 낮은 온도에서 암모니아를 98% 이상 분해하고 동시에 정제가 가능한 일체형 분리막 반응기를 개발하는데 성공했다.

기존 암모니아 기반 수소 추출을 위한 반응기는 암모니아를 분해하는 반응기와 PSA(압력스윙흡착), TSA(온도변동흡착)로 정제를 하는 기술이 복합적으로 구성돼 있으나 이 박사팀은 PSA, TSA 정제기술 없이 수소 분리막을 사용해 수소 생산과 동시에 정제가 가능토록 했고 분해온도도 낮췄다.

또 연구진은 '무전해도금법'을 적용, 기존 팔라듐 분리막의 한계로 인식됐던 비싼 가격과 치밀한 제조의 한계도 극복했다. 

[대전=뉴시스] 에너지연구원이 국산화에 성공한 팔라듐 복합 분리막(위)과 하루 2㎏의 수소 생산이 가능한 분리막 반응기. *재판매 및 DB 금지

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㎏/d 이상 생산 가능함을 공인인증기관을 통해 검증을 완료했다.

개발한 분리막은 대면적이면서 면적 대비 수소 생산량이 2배 이상 높아 세계 최고 수준이며, 분리막 개수를 증가시켜 수소 생산량 확대가 가능하기 때문에 상용화 가능성이 매우 높다.

연구 결과는 열역학분야 국제 학술지 '에너지(ENERGY)'에 최근 게재됐다.(논문명:Highly selective Pd composite membrane on porous metal support for high-purity hydrogen production through effective ammonia decomposition)

이신근 박사는 "이번 분리막 반응기를 사용해 암모니아에서 수소를 추출하는 기술은 분해반응과 수소정제를 하나로 집약할 수 있기 때문에 선진국에서 수년 전부터 활발히 연구하는 공정집약형 차세대 기술"이라며 "우리나라에서도 분리막과 공정집약 연구에 대해 많은 관심과 지원이 필요하다"고 밝혔다.


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