재생에너지 연계 수소생산, 화학적 수소저장과 수소이용 분야를 아우르는 핵심원천기술 확보를 위해 힘쓰고 있는 한국과학기술연구원 수소·연료전지연구센터는 차세대 수소공급 기술 개발에 앞장서고 있다. 장종현 센터장을 필두로 그린수소 생산 및 저장 기술, 수송용/발전용 연료전지, 차세대 소재/부품에 대한 개발 등을 이어가고 있는 이들의 행보는 최근 탄소중립을 향한 세계적인 요구와 더불어 향후 국내 산업의 육성과 미래 에너지 비전에 주요한 역할을 해낼 것이다. 연구자의 소명을 다하며 성과를 이어가는 한국과학기술연구원 수소·연료전지연구센터에 주목해본다.

 

 

안녕하세요 센터장님. 월간인물 2022년 7월호 「수소경제 생태계 구축, 그린수소 강국으로 향하는 대한민국」 기획으로 인사드리게 되었습니다. 수소 생산기반 확보와 관련 기술 개발 요구에 큰 관심이 쏠리고 있습니다. 수전해, 연료전지 분야 기술 연구를 중심으로 활동 중인 한국과학기술연구원 수소·연료전지연구센터의 역할이 더욱 중요한 시점입니다. 센터장님께 간략한 센터 소개를 부탁드립니다.
안녕하세요. 만나 뵙게 되어 반갑습니다. 저희 센터는 1989년부터 연료전지 연구를 시작하고 이후 수소 생산 및 저장 기술로 분야를 확대하면서 30년 이상 수소·연료전지를 연구하고 있습니다. 각종 연료전지 상용화 지원, 수소 생산 및 저장원천 기술 개발에 기여하여, KIST의 탁월성연구센터 (COE,Center of Excellency)로 2008년, 2012년 두 번 지정되는 등 연구 성과를 인정받고 있습니다. 최근 수소가 탄소중립 핵심 기술로 크게 주목 받고 있는데요. 저희 센터에서도 ‘재생에너지 활용 극대화를 위한 고효율에너지 전환 원천기술 개발 및 국가 수소경제 조기 달성을 위한 수소·연료전지 솔루션 제공’이라는 비전을 가지고 수소 생산/저장/활용의 전주기 기술 연구에 노력하고 있습니다. 특히, 과기정통부 'PEM수전해 핵심원천기술 연구단'과 'LOHC기반 수소방출 시스템 원천기술개발 연구단'을 주관하여 차세대 수소 공급 원천 기술 개발에 집중하고 있습니다.

현재 센터에서 진행 중인 주요 연구내용, 해당 연구의 필요성과 기대효과에 대해 들어보고 싶습니다.
태양광, 풍력 등 재생전력으로 물을 분해하여 그린수소를 생산하는 수전해 기술, 대규모 수소를 안전하게 저장/운송할 수 있는 화학적 수소저장 기술, 모빌리티 및 발전용 연료전지기술 등 수소 전주기 기술을 연구하고 있습니다. 한 예로, 고분자전해질수전해 기술은 발전량이 불규칙한 재생전력에 적용하기 적합하여 주목을 받고 있는데, 이리듐 촉매 등 고가 소재/부품이 다량 사용되고 상용화 초기 단계입니다. 이를 해결하기 위하여 저가형 촉매/전극 및 전해질막 등 원천 소재를 연구하고 있으며, 이를 소규모 디바이스로 구현하는 실증을 통해 원천 연구와 실용화 연계가 상호 보완적으로 이루어질 수 있도록 노력하고 있습니다. 또한, 암모니아 및 LOHC 물질을 수소저장체로 활용하기 위하여 수소 저장/방출 반응 촉매 및 시스템 연구 등을 집중적으로 수행하고 있습니다. 이를통해 국내 독자 기술 확보와 산업 주도를 실현하여 재생에너지를 기반으로 하는 그린수소 공급망의 경제적 구축에 기여할 것으로 기대합니다.

얼마 전 글로벌 수소 컨퍼런스에 참여하신 것으로 압니다. 세계적인 수소경제 산업의 흐름이 어떠한지 궁금합니다.
수소는 산업적으로 오랫동안 사용되어 왔습니다만, 각종 화석연료로부터 생산되는 소위 그레이 수소가 대부분입니다. 이를 대체하기 위한 무탄소/저탄소 수소 생산 기술과 대규모 저장/운송, 그리고 수소차를 비롯한 다양한 수소 활용 기술의 확립을 포함하는 그린수소 생태계 구축은 전 세계적으로 새로운 도전으로 인식되고 있습니다. 세계 각국은 자국의 조건과 환경에 맞는 시나리오를 적극적으로 제시하고 실현하기 위해 노력하고 있는데, 요소 기술의 개발과 고도화가 많은 부분에서 요구되고 있기도 합니다. 또한, 그린수소와 탄소중립 기술이 전 지구적으로 논의됨에 따라 각종 정치적 이슈에도 직접적인 영향을 받게 되는 특징을 가집니다. 따라서, 단순히 수소경제를 산업 기술의 하나로 파악하기 보다는 국가 안보와 직결된 핵심 요소로 이해하고 전략을 만들어나가는 것이 중요하다고 생각됩니다.

더불어 최근 센터장님께서 가장 주목하고 계신 분야 키워드나 관심사가 있다면 무엇일지 말씀 부탁드립니다
탄소중립을 위한 ‘전기화’입니다. 즉, 산업 각 분야에 사용되는 화석연료 에너지를 재생에너지 기반의 전기로 전환하는 것인데, 내연기관 자동차를 배터리 및 수소전기차로 대체하는 것이 한 예입니다. 다양한 에너지를 형태에 따라서 화석연료, 전기, 수소 등으로 인식하는 것이 일반적인데, 탄소중립의 관점에서는 에너지의 출발점이 무엇인지에 주목할 필요가 있습니다. 즉, 1차 에너지원은 화석연료, 재생에너지, 원자력으로 분류할 수 있으며, 이를 활용하여 전기 및 수소 등 변형된 에너지를 생산하게 됩니다. 이러한 관점에서 화력발전으로 생산된 전기와 화석연료로부터 추출된 수소(그레이 및 블루수소)는 화석연료의 변형된 형태로 볼 수 있습니다. 반면, 태양광 및 바람 등의 재생에너지로부터 생산된 전기와 수소는 재생에너지의 일종으로 파악해야 하며, 이러한 차별성을 강조하기 위하여 재생전기(renewable electricity) 및 그린수소/재생수소(renewable hydrogen) 등의 용어가 사용되기도 합니다. 탄소중립측면에서의 ‘전기화’는 재생전기, 그리고 이로부터 만들어진 그린수소를 포함하는 개념이며, 이러한 맥락에서 간접전기 (indirect electricity) 또는 재생에너지 캐리어라고 그린수소를 정의하기도 합니다. 현재 화석연료가 활용되는 각종 화학공정 에너지 및 화학물질 생산 등도 재생전기 및 그린수소 등으로 대체되어 탈화석연료의 범위가 넓어질 것으로 전망되며, 이러한 ‘전기화’가 향후 재생에너지 기반의 탄소중립 전략에 핵심 키워드가 될
것으로 생각합니다.

수소생산 분야 꾸준하게 활동성과를 이어오신 센터장님께, 대표적인 연구 성과에 대해 말씀 들어보고 싶습니다.
고분자전해질 수전해 기술이 상업적 경쟁력을 확보하기 위해서는 재료 및 제조 공정 측면에서 가격 저감과 성능 증대를 동시에 실현할 수 수 있는 기술 개발이 요구되고 있습니다. 저는 전해도금을 통해 이리듐산화물을 다공성 금속지지체에 코팅하는 전극 기술을 개발하였습니다. 이 기술은 전기화학적 수소생산 성능과 내구성이 우수해 귀금속 촉매 사용량 저감과 전극제조 공정 단순화의 측면에서 가격 경쟁력 확보가 가능한 것이 특징입니다. 기존 전극제조기술은 귀금속 촉매 분말을 제조하고 이를 다공성금속지지체에 물리적으로 도포하는 방식으로, 귀금속 촉매 사용량이 1~5 mg/cm² 정도로 높으며, 다단계 공정이 필요한 단점을 가지고 있습니다. 또한, 수소차에 사용되는 PEMFC 연료전지의 내구성을 높일 수 있는 전극 첨가제 기술을 개발하였습니다. 연료전지 전극에는 백금나노촉매와 이를 분산시키기 위한 고표면적 탄소가 사용되는데, 탄소가 일부 산화되는 경우 전극의 다공성 구조가 파괴되는 것이 성능 저하 주요 원인의 하나입니다. 이를 해결하기 위하여 유/무기 복합입자를 구조강화제로 도입하여 다공성 구조 유지 및 내구성 증대 효과를 확인할 수 있었습니다.

현재 새롭게 준비하고 계시거나 계획 중인 연구내용에 대한 언급도 부탁드립니다.
탄소중립의 핵심 키워드로 ‘전기화’를 말씀드렸는데, 화학반응의 측면에서는 ‘전기화학’ 기술을 확대 적용하는 것이 필요합니다. 즉, 화학반응을 위한 에너지를 열에너지로부터 전기에너지로 변환시키는 것인데요, 이를 통해 재생전력의 활용처를 확대할 수 있을 것으로 기대됩니다. 이러한 개념은 화학적 수소저장 등의 분야를 비롯해 다양한 화학산업 분야에 적용이 가능합니다만, 신개념 전기화학에 대한 원천 연구부터 장기적인 안목으로 추진되어야 할 것입니다.

끊임없는 도전과 몰두를 이어가는 연구자로서 센터장님께서는 어떤 철학을 지니고 계신지요? 평소 함께하시는 동료 및 직원들에게 강조하는 부분이 있으신지 궁금합니다.
바둑 격언인데요. ‘한 판에 묘수 세 번 나오면 진다’라는 얘기가 있습니다. 묘수는 불리한 상황을 반전시키는 절묘한 수법을 뜻하는데요, 묘수가 통쾌해 보이기는 하지만 세 번이나 나왔으면 이미 정상적인 상태가 아니라는 의미라고 합니다. 주변에 기술적 묘수라고 자랑하는 얘기들도 종종 들리는 상황이지만, 연구의 정석을 흔들림 없이 추구해 나가는 것이 중요하다고 생각합니다. 그런 과정에서 국가에 기여할 수 있는 진정한 묘수도 자연스럽게 나타날 것으로 기대합니다.

마지막으로 이 분야 종사자들과 관계자 및 단체, 월간인물 독자들에게 전하고자 하시는 말씀, 응원이나 격려의 좋은 말씀을 부탁드립니다.
탄소 중립과 이를 위한 수소 경제의 확립을 위해서는 산학연 협력은 물론이고, 정부-민간 및 전문가-국민 등 다양한 소통, 협조, 이해가 필요하다고 생각합니다. 많은 이해와 격려, 그리고 조언과 비판을 부탁 드립니다. 감사합니다.