최근 정부는 경제적이고 안정적인 수소 생산 및 공급 시스템을 조성하는 '수소 경제 활성화 로드맵'을 발표했다. 이는 2022년부터 2040년까지 수소차 620만대 생산과 수소충전소 1200개소 구축, 안정적이고 경제성 있는 수소유통체계 확립 등 수소를 미래 먹거리로 활용하기 위한 구체적인 계획이다. 그러나 대량의 수소를 안정적으로 공급하고 가격을 안정시키기 위해서는 추출 수소 생산방식 다양화 등으로 수소를 지금보다 효율적으로 수급해야 하며, 확보된 수소를 고순도 수소로 정제할 수 있는 방안도 필요하다.
현재 수소는 천연가스 기반 수소 추출, 화학공정 부생가스로부터 수소생산 정제, 수전해를 통한 수소생산 등 다양한 기술로 생산되고 있다. 이 중 천연가스 기반 수소추출기술은 투입연료 대비 수소생산량이 많아 세계 수소시장의 48%를 담당하고 있다. 그러나 700도 이상 고온에서 운전돼 이산화탄소 배출량이 비교적 높고 별도 정제공정이 필요하다. 이때 팔라듐계 분리막을 사용해 수소추출반응기를 구성하면 반응 온도를 낮출 수 있어 이산화탄소 배출을 줄일 수 있고, 고온에서 발생하는 질소산화물 생성을 억제할 수 있으며, 결과적으로 낮은 가격으로 수소생산이 가능하다. 또 반응과 동시에 수소정제가 가능하기 때문에 시스템을 콤팩트하게 구성할 수 있는 장점이 있다.
팔라듐계 분리막은 크게 포일 형태와 복합 형태로 나뉜다. 현재 상용화 단계에 있는 포일막은 투과도가 낮고, 모듈화를 위해 특화된 기술이 필요하다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 다공성 지지체 위에 분리막을 코팅하는 복합막 연구를 미국, 유럽, 일본, 중국, 네덜란드 등에서 활발하게 진행하고 있다. 그러나 균일한 성능의 분리막 제조기술 확보가 어려워 상용화에 어려움을 겪고 있다.
국내에서는 한국에너지기술연구원이 2015년부터 튜브형 복합막 개발을 시작했고, 현재 350㎠ 크기 대면적 분리막 개발을 완료한 상태다. 또 개발한 분리막을 사용한 10Nm3/h급 수소 정제기 상용화에도 성공했다.
자체 개발한 세라믹 차폐층 코팅기술 및 무전해도금 기술을 사용하면 길이 1m까지 분리막 제조가 가능해 향후 표면적 700㎠ 인 복합형태 분리막 개발을 눈앞에 두고 있다.
수소분리막은 천연가스를 비롯한 석탄, 바이오매스 그리고 수전해 등 다양한 수소 생산 방식과 결합해 경제적이며 안전한 수소 생산이 가능하다. 앞으로 다가올 수소화 경제에 핵심소재로써 그 중요성이 점점 증가할 것으로 판단된다.
아직까지 수소 경제 활성화를 이루기 위한 단계가 많이 남아 있지만 이런 기술 개발이 지속적으로 진행된다면 재생에너지와 친환경 에너지원을 이용한 수소 생산방식에 새로운 바람을 불어 넣을 수 있을 것으로 기대된다.
이신근 한국에너지기술연구원 에너지소재연구실 책임연구원 h2membrane@kier.re.kr
