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에기연, 암모니아서 수소분해 기술 개발 성공
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2021.08.29 23:01
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한국에너지기술연구원은 원내 수소연구단 정운호 박사 연구진이 암모니아를 원료로 하는 수소생산용 가압형 암모니아 분해 반응기 핵심기술 개발에 성공했다고 지난달 16일 밝혔다.
수소 캐리어로 고려되는 여러 방법 가운데 암모니아는 단위 부피당 수소 저장 밀도가 액화수소보다 1.7배 높아 대용량 저장이 가능하다. 또한 상온상압의 조건에서 비교적 쉽게 액화되는 이점이 있고 이미 국제적으로 운송 및 유통 인프라가 잘 갖춰져 있는 것으로 알려져 있다.

청정수소 공급을 위한 암모니아 분해 기술은 천연가스 개질방식에 비해 반응온도가 낮아 저가 소재의 반응기 제작이 용이하다. 이에 이산화탄소 포집을 위한 CCS 장치가 추가로 필요치 않아 공정이 단순한 이점이 있어 수소생산 단가를 낮출 수 있을 것으로 기대하고 있다.

암모니아로부터 고순도 수소를 생산하는 공정은 3단계로 이루어진다. 먼저 암모니아를 고온에서 질소·수소로 분해한 다음 상온에서 미반응 잔류 암모니아를 제거하고 마지막으로 상온 PSA 공정에서 수소를 분리해 99.97% 이상의 고순도 수소를 생산하는 것이다.

여기에서 연구원은 수소생산의 핵심인 암모니아를 질소, 수소로 분해하는 반응기와 촉매를 개발했다. 연구진이 개발한 암모니아 분해 반응기는 버너를 중심으로 도넛모양의 금속구조체 촉매가 채워진 8개의 반응기 튜브에 열이 가해지고, 암모니아는 촉매를 거쳐 수소와 질소로 분해된다. 이때 각 반응기에 동일한 양의 암모니아를 공급하고 온도를 유지하는 것이 중요하다고 연구진은 밝혔다.

아울러 자체 설계한 암모니아 분배기를 이용해 각반응기에 암모니아를 균일하게 공급하고, 버너와 반응기의 간격과 위치 등 다양한 변수에 대한 실험을 통해 암모니아가 분해될 수 있는 최적의 조건을 도출했다.

이와 함께 반응을 통해 분해된 고온의 분해가스는 열교환시켜 원료인 암모니아를 예열하는데 다시 이용해 분해 효율을 향상시켰다. 한편 수소연구단 구기영 박사는 침전법을 기반으로 액상에 담긴 금속구조체 표면에 나노촉매를 직접 코팅하는 기술도 개발했다.

암모니아 분해성능은 유지하면서 고가의 귀금속 사용량을 상용 촉매 대비 10분의 1 수준으로 절감하는 기술이다. 금속구조체 표면에 촉매를 균일하고 얇게 코팅해 박리현상뿐 아니라 촉매사용량도 줄인 것이다. 연구진은 지난 2018년 3월부터 암모니아 분해용 촉매반응기 기술을 연구개발해 왔으며 촉매, 반응기,열교환기, 운전조건 등 최적화를 통해 90%가 넘는 암모니아 분해효율을 달성했다. 또 100시간 운전을 통해 구성요소별 안전성 검증도 완료했다고 밝혔다.

향후 수소전기차 충전에도 암모니아로 만든 수소가 쓰일 것으로 기대된다. 연구진은 공동연구기관인 현대차와 수소전기차 넥쏘 스택에 암모니아에서 추출한 수소를 공급해 50시간 동안 20㎾의 전력을 안정적으로 생산하는 것을 확인했다. 청정수소 확산 정책에 맞춰 연구진은 대용량 반응기 개발도 준비하고 있다. 암모니아 대량수입을 고려해 1000N㎥/h(약 90㎏/h)급 반응기 개발에 나섰다고 전했다.

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

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