세계적인 탄소 중립의 흐름 속에서 수소경제에 대한 관심이 뜨겁다. 글로벌 수소산업은 이제 시작단계라고 할 수 있다. 단기간 내에 화석연료의 수요를 대체할 수는 없지만 미래의 주요 에너지원으로 수소가 지목되고 있다.

황인상 기자 his@

심욱 한국에너지공과대학교 에너지공학부 교수의 행보가 재조명되고 있다. 최근 주목을 받고 있는 심욱 교수는 보다 친환경적이며 경제적인 그린수소 생산법을 연구하는 한편 이를 상용화하기 위해 총력을 기울여 왔다.
 
액상 형태의 고밀도 수소운반체에 대한 연구 수행
최근 심욱 교수는 액상 암모니아를 수소 저장물질로 사용하기 위한 연구도 수행 중이다. 물을 분해하여 수소를 생산하기 위해서는 많은 전력이 소모가 되며, 생산한 수소를 액화/저장하고, 운송하는 부분에서도 극복해야할 많은 이슈가 있다. 심욱 교수는 이러한 문제를 해결하기 위한 대안을 연구하고 있는 것. 심욱 교수는 “암모니아는 액화수소의 문제점을 보완할 수 있는 방안으로 주목 받고 있으며, 수소를 암모니아로 저장 및 운반하고 다시 암모니아에서 수소를 추출하는 방식 (암모니아 산화 반응)도 중점적으로 연구하고 있는 분야”라며 “액상유기화합물 및 암모니아 형태로 수소를 저장하는 중요성을 인지하고 있음에도 불구하고 전 세계적으로 아직 경제성을 갖춘 액상수소화물을 통한 수소저장/운송 시스템이 개발되어 있지 않아 우리나라가 수소경제 선도국으로 발전하기 위해서는 이 분야의 원천기술개발 확보가 시급하다”고 피력했다.

2019년에 발표된 ‘수소경제 활성화 로드맵’의 성공적 이행을 위해서는 안전하고 경제적인 대용량 수소의 장거리 운송 기술개발이 필요하며, 동시에 대한민국이 수소 사회로 진입하기 위해서는 대용량의 수소를 안전하게 공급하기 위한 국내외 ‘수소공급망’ 구축이 반드시 필요하다. 이에 심욱 교수는 해외에서 재생에너지를 이용하여 생산한 저가의 CO2-free 수소를 대량으로 국내에 수입하는 경우, 낮은 부피 대비 에너지 저장밀도를 갖는 수소의 특성으로 기체 형태로 운송하기에는 경제성이 매우 낮다고 지적한다. 그가 액상 형태의 고밀도 수소운반체에 대한 연구가 시급하며, 이를 이용한 대용량 수소저장 및 운송 원천 기술 개발이 필요하다고 주장하는 배경이다.

▲ 심욱 교수

심욱 교수는 “2050년까지 시기별로 단계를 나눠 수전해를 통한 그린수소 생산과 사용을 늘려 가겠다는 것이 EU의 전략인데, 전기화학에 강점이 있는 우리나라도 그동안 연구해 온 부하변동 수전해 기술을 바탕으로 그린수소 생산 로드맵을 명확히 정하고 산학연의 유기적인 연구 협력을 통한 지속적인 이행이 중요하다”면서 “우리나라에서도 촉매 전문가 그룹, 분리막 전문가 그룹, 모듈 설계 전문가 그룹의 지속적인 연구 교류를 통해 수전해 각 부품의 최고 성능 및 비용 절감을 이루어 낼 수 있다”고 확신했다. 이어 “현재 촉매 개발과 더불어 수소를 포함한 지속 가능한 에너지 시스템을 구축하기 위하여 (광)전기화학 반응에 의해 생산되는 신재생에너지 연구, 개발에 주력하고 있다”며 “전 지구적 기후변화에 대응하기 위하여 국제사회의 노력이 가속화되고 있는 지금, 저도 기후변화에 적극 대응할 수 있는 연구 개발에 박차를 가하겠다”고 포부를 밝혔다.

리튬이온 2차전지를 대체할 아연공기 2차전지 개발
에너지 생산 및 전환, 저장을 위한 촉매 개발 연구에 매진해온 심욱 교수팀은 수소를 포함한 다양한 에너지 생산, 변환, 저장용 촉매를 개발하며 여러 가지 전기화학적 분석을 통해 이들의 성능을 기존 상용 촉매의 성능과 비교하여 우수성을 검증하였고, 그 결과물들을 논문 및 특허로 제출하고 있다. 특히 최근에는 리튬이온 이차전지의 대안 중 하나로 각광받는 아연공기전지의 양극 소재와 친환경 수소, 산소 생산에 사용되는 수전해 시스템의 음극, 양극 소재에 동시 사용 가능한 코발트망간산화물 전극을 개발하여 관련 연구 성과도 발표해 큰 화제를 모으기도 했다. 심 교수팀이 개발한 아연공기 2차전지는 플렉서블하여 웨어러블 디바이스에도 적용이 가능할 것이라 기대된다. 이에 기존의 리튬이온 2차전지 시장을 대체할 새로운 전지로 사용할 수 있을 것으로 전망된다. 이미 상용화가 된 아연공기전지의 경우 리튬이온전지 대비 동일 부피에서 약 3배 높은 에너지 밀도를 가지기 때문에 보청기의 전원으로 사용되고 있지만 한번 사용하고 버려야 하는 1차전지이기 때문에 사용자의 편의성 및 폐전지로 인한 환경오염 이슈가 있다. 이에 심 교수팀은 전이금속 전구체와 요소, 탄소 섬유를 수열 합성법을 이용해 동시에 반응시켜 탄소 섬유 위에 코발트망간산화물 전극 소재를 곧바로 성장시킬 수 있었다. 손쉬운 방식으로 합성된 이 촉매는 표면적이 넓은 다각형 형태로서 고분자 결합제를 사용하지 않고 전극에 바로 올라가는 형태라 전도성이 매우 우수하다.

심욱 교수는 “본 촉매를 로딩한 전극을 아연공기전지의 양극에 사용하여 산소 산화/환원 반응 효율을 극대화 시켰다”면서 “이를 통해 기존에 충·방전 효율이 낮았던 아연공기전지의 한계를 극복하고 500회 이상의 충방전 테스트에서도 성능이 감소하지 않는 결과를 확보할 수 있었다”고 부연했다. 실제로 심 교수팀은 개발한 촉매가 실제 산업 필드에 나갔을 때 기존 상용 촉매보다 얼마나 성능이 우수한지 검증하기도 했다. 이를 통해 물질의 구조, 성분, 물리화학 및 전기적 특성에 대한 부분에서 실제 상용화와는 약간의 거리감이 있다는 판단한 심 교수팀은 이를 해결하기 위하여 촉매를 탑재한 전극을 기본으로 막전극집합체(membrane electrode assembly), 쌍전극판(bipolar plate), 경판(end plate) 등 수전해 스택 부품 전체에 걸쳐 연구를 시작, 현재 시간당 수소 및 산소 발생량, 수소 생산 효율, 수소 1 kg에 드는 시간당 전력량까지 계산하며 촉매에서 모듈까지 연구 영역을 확장하여 실제 상용화를 위한 노력을 기울이고 있는 중이다. NM