알칼라인 수전해 시스템 수치해석 모델 개발

광주과학기술원(GIST, 총장 김기선)은 기계공학부 강상규 교수 연구팀이 그린수소 생산을 위한 알카라인 수전해 시스템에 대한 압력의 영향을 분석하여 시스템 운전 성능에 미치는 압력의 영향을 예측할 수 있는 수치해석 모델을 개발했다고 지난달 8일 밝혔다.
알칼라인 수전해는 KOH 또는 NaOH 수용액을 전해질로 사용하여 염기성 환경에서 물을 전기분해하는 기술로, 대표적인 수전해 기술 중 가장 오랜 시간 연구되었으며 완성도가 가장 높은 기술이다. 
미래 청정에너지 사회 구축을 위해 필수적인 수소를 생산하기 위한 방법으로 재생에너지원과 연계된 수전해 기술이 주목받고 있으며, 그 중 알칼라인 수전해는 대형화와 저렴한 설비비용, 충분한 운전수명 등의 장점을 갖고 있다. 하지만 천연가스 개질 등 기존의 수소생산 공정에 비해 비싼 생산 단가가 장애물로 작용하고 있다.
수전해 수소의 생산 단가를 낮추기 위해 전극 및 촉매 재료 등 소재연구와 더불어 시스템 운전 최적화 연구가 필요하지만 소재 개발에 비해 운전 최적화 연구는 부족한 실정이며 그마저도 실험 기반의 연구에 집중되어 있다.
본 연구팀은 수치해석 기반의 알칼라인 수전해 스택 모델을 개발하여 작동 변수에 따른 스택의 운전성능 변화를 파악하고 스택 외에도 수소 생산설비를 구성하는 BOP 장치들의 소모동력 변화를 종합적으로 분석하여 최적의 수소 생산효율을 갖는 운전조건을 도출하였다.
개발된 수전해 스택 모델은 한국에너지기술연구원에서 진행된 스택 운전 실험 데이터를 이용하여 검증되었으며, 수행 조건이 제한적인 실험 기반의 연구와 달리 넓은 범위에 대한 운전성능을 파악할 수 있다는 장점이 있다. 이를 통해 알카라인 수전해 시스템의 운전효율이 BOP 장치 소모동력 감소의 영향으로 약 10 bar 압력까지는 크게 상승하지만 이후 100 bar 압력까지 천천히 감소함과 압력상승에 따른 발생 수소 순도 향상 효과가 20 bar 이후에는 미미함을 확인하였다.
강상규 교수는 “친환경에너지를 활용해 안정적인 고효율의 그린수소 생산의 가능성을 확인하였다”며 “나아가 수소경제 활성화와 수소산업 육성에 기여하기를 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 수소에너지혁신기술개발사업의 지원을 받은 ‘알칼라인 수전해 핵심기술개발 연구단’ 과제의 일환으로 수행했다. 연구 성과는 화학공학 분야 학술지인‘Applied Energy’에 2월 7일 온라인으로 게재됐다.