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수소 거르는 팔라듐 분리막, 3배 더 얇아졌다

에너지연 연구팀, 5㎛ 팔라듐 막으로 수소 생산·정제 성공
현지 공급형 고순도 수소 스테이션 등 적용 기대
국내 연구진이 합성가스에서 수소를 거르는 고효율 분리막을 만들었다.
 
한국에너지기술연구원(원장 곽병성)은 이신근 박사팀이 '복합막 형태의 팔라듐 분리막 기반 수소 생산·정제 핵심 기술'을 개발했다고 20일 밝혔다. 
 
팔라듐 분리막은 다공성지지체 위에 팔라듐이 코팅된 복합막과 은박지 형태의 분리막이 있다. 은박지 형태 막은 상용화됐지만, 두께가 두꺼워 수소투과도가 낮다.

반면, 복합막은 수소 생산·정제 공정에 적용하기 위한 모듈화가 쉽다. 복합막 제조의 핵심은 팔라듐에 미세한 구멍이 없으면서도 수소만 통과하도록 만들어 얇게 코팅하는 것이다. 
 
연구팀은 현재 판매되는 팔라듐 막 보다 3~5배 얇은 5㎛ 이하 두께의 팔라듐 막을 제조해 수소를 정제하는 데 성공했다. 여기에는 연구팀이 자체 개발한 '무전해도금법'이 사용됐다. 이 방법을 이용하면 팔라듐 활용 효율도가 99.5% 이상으로 높아진다. 

팔라듐 분리막 구조와 수소투과에 대한 용해-확산 메커니즘. <그림=에너지연 제공>팔라듐 분리막 구조와 수소투과에 대한 용해-확산 메커니즘. <그림=에너지연 제공>

팔라듐 막은 현재 쓰이는 수소 정제법인 '메탄 수증기 변환 방식'에도 적용된다. 이 방식에 따르면 메탄은 수소와 일산화탄소로 구성된 합성가스로, 다시 합성가스는 고순도 수소로 전환된다.

여기에 팔라듐 분리막을 적용하면 기존보다 200℃ 낮은 500~550℃에서 공정이 가능하고 별도의 정제가 없어도 수소가 선택적으로 분리된다. 수소를 빼내고 남아있는 이산화탄소도 쉽게 포집할 수 있어 온실가스도 줄일 수 있다.
 
연구팀은 지름 2.54㎝, 길이 45㎝인 팔라듐 분리막과 이 분리막이 적용된 10N㎥/h급 수소정제기도 개발했다. 또, '블로윙 코팅기술'을 개발해 원통형 금속 표면에 머리카락 두께의 1000분의 1 크기인 100㎚ 이하의 얇은 세라믹 막을 균일하게 발라 분리막의 안정성과 경제성을 높였다.
 
이신근 박사는 "팔라듐 분리막 수소 생산·정제 기술은 기존 화석연료 기반 수소 생산 방식에 접목되어 효과적으로 반응 효율을 높인다"며 "재생에너지와 친환경 에너지원을 이용한 수소 생산과 현지 공급형 고순도 수소 생산·정제 분야에서 중요한 역할을 할 것"이라고 말했다. 앞으로 연구진은 모듈화와 시스템 구성 기술 개발에 주력할 계획이다.
 
연구 결과는 분리막 전문 국제학술지 저널 오브 멤브레인 사이언스(Journal of Membrane Science) 등에 게재됐다. 

연구팀이 개발한 팔라듐 분리막과 분리막 모듈. <사진=에너지연 제공>연구팀이 개발한 팔라듐 분리막과 분리막 모듈. <사진=에너지연 제공>
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