국내 연구진이 CO2가 발생하지 않는 그린수소 생산비용을 효과적으로 낮출 수 있는 차세대 음이온교환막 수전해(AEMWE)의 핵심기술을 개발했다. 한양대 에너지공학과 이영무 교수팀과 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구센터 이소영 박사팀은 최근 공동연구를 통해 음이온교환막 수전해용 막전극접합체(MEA)를 개발했다. 해당 기술은 고가의 양이온교환막 수전해(PEMWE)기술을 대체할 수 있을 것으로 예상된다.
수소는 화석연료를 대체하는 대표적인 청정에너지원으로 주목받고 있으며, 온실가스를 배출하지 않는 그린 수소를 생산하는 수전해 기술 개발을 위한 노력이 활발하다. 최근 다양한 기업에서 관련 연구 및 상용화를 진행하고 있으나, 현재의 양이온교환막 수전해 기술은 핵심 소재기술이 일부 선진국에 집중돼 있고 고가의 귀금속계 촉매 및 과불화탄소계 양이온교환막을 사용하기에 시스템 제조 비용이 비싸다는 단점이 있다.
이에 대한 대안으로 음이온교환막 및 전극바인더를 사용하는 음이온교환막 수전해는 비귀금속 촉매를 사용하고, 수전해 셀을 구성하는 분리판 소재 등을 기존의 티타늄이 아닌 철(Steel) 소재로 대체해 고순도의 수소를 저가로 안전하게 생산 가능한 차세대 수전해 기술이다.
촉매 및 분리판 소재의 가격만 비교하였을 때도, 양이온교환막 수전해 대비 약 3,000배 정도 제조비용이 저렴하다. 그럼에도 불구하고 양이온교환막 수전해 대비 성능이 낮고, 운전 시간이 100시간이 채 되지 않는 내구성 문제가 있어 상업적으로 활용되지 못하고 있었다.
연구진은 고분자 구조 내의 비표면적을 증대시켜 높은 이온 전도성과 알칼리 내구성을 갖는 플루오렌-피페리디늄계 음이온교환 소재(전해질막과 전극 바인더)를 개발하고, 이를 기반으로 막전극접합체를 개발했다. 개발한 소재는 1000시간 이상의 월등히 뛰어난 내구성을 갖고, 세계 최고의 전지 성능인 7.68A/cm2을 보였다. 이는 기존의 음이온교환 소재 대비는 약 6배, 고가의 상용 양이온교환막 수전해 기술(6A/cm2) 대비 약 1.2배의 성능이다.
이는 그동안 음이온교환막 수전해에서 한계로 지적된 핵심소재의 성능과 내구성을 극복하고, 국내 기술로 양이온교환막 수전해 기술을 대체할 수 있는 수준으로 기술을 끌어올린 것이다. 성능 및 내구성 이외에도 개발한 음이온교환막 소재는 산업통상자원부의 지원을 받아 대용량 및 대면적화 기술을 접목하여, 상용화에 박차를 가하고 있다.
이소영 박사는 “차세대 음이온교환막 수전해의 한계를 뛰어넘는 원천 소재 및 고효율화 기술을 확보하여, 그린 수소 생산비용을 획기적으로 낮출 수 있는 수전해 기술 세대교체의 발판을 마련했다”고 말했다.
이영무 교수는 “개발된 소재는 수전해 뿐 아니라, 수소연료전지, 차세대 수소산업인 이산화탄소 자원화 및 직접 암모니아 연료전지의 핵심소재로 응용 가능성이 높다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST·한국연구재단·산업기술평가원의 소재부품기술개발사업으로 수행됐고, 연구결과는 「Energy & Environmental Science」(IF=38.532, JCR 분야 상위 0.182%) 최신 호에 게재됐다.
* (논문명) High-performance anion exchange membrane water electrolyzers with a current density of 7.68 Acm-2 and durability of 1000h
- (제 1저자) 한양대학교 첸난준 박사후연구원
- (제 1저자) 한국과학기술연구원 백새얀 연구원
- (교신저자) 한국과학기술연구원 이소영 책임연구원
- (교신저자) 한양대학교 이영무 교수