차세대 수전해 기술, 성능과 내구성 향상…음이온교환막 소재 개발

화학연, 성능 20% 향상·내구성 10배 개선
음이온교환막과 셀 제작 시 세계 최고 성능

한국화학연구원은 기존 상용 소재에 비해 20% 이상 높은 성능과 10배 우수한 내구성을 가진 음이온교환막 소재를 개발했다. 화학연 제공

화학연이 개발한 음이온교환소재를 적용해 제작한 수전해 평가장치 및 수전해 셀 모습. 화학연 제공

고순도 수소를 경제적 생산할 수 있는 음이온교환막 수전해(AEMWE)의 성능과 내구성을 대폭 향상시킬 수 있는 새로운 소재가 개발됐다.

한국화학연구원은 이장용·김성준 박사 연구팀이 기존 상용 소재에 비해 20% 이상 높은 성능과 10배 우수한 내구성을 가진 폴리카졸계 음이온교환막 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

물을 전기분해해 친환경 그린수소를 생산하는 수전해 기술 중 알칼라인 수전해 기술은 설비 가격이 저렴하고, 기술 성숙도가 높아 가장 많이 쓰이고 있으나, 낮은 효율과 저순도 수소를 생산하는 단점이 있다. 양이온교환막 수전해 기술은 성능이 우수하고 고순도 수소 생산이 가능하지만 귀금속 촉매를 활용하는 등 핵심 소재가 매우 비싸다.

이에 반해 음이온교환막 수전해 기술은 저렴한 촉매 소재를 쓰면서 높은 효율로 고순도 수소 생산이 가능해 기존 기술의 장점을 모두 갖춘 차세대 기술로 주목받고 있다. 하지만, 전해질막과 전극 바인더에 활용되는 소재의 성능이 떨어지고 내구성이 낮다는 한계가 있다. 국내 기업에선 교환막과 전극 소재를 대부분 해외 수입에 의존하고 있어 국산화가 절실한 상황이다.

연구팀은 튼튼하고 분자 구조 조절이 쉬운 폴리카바졸계 소재를 활용해 수소 생산 성능과 내구성을 높인 이온교환소재를 개발했다. 이 소재로 만든 음이온교환막과 셀은 기존 상용 소재보다 10배 우수한 내구성과 20% 이상 높은 이온전도도(성능)를 지녔다. 이전에 개발된 폴리카바졸 기반의 음이온교환소재의 분자량을 늘리고, 정제 과정을 추가해 성능과 내구성 모두를 개선시켰다는 게 연구팀의 설명이다.

실험 결과, 80도의 고농도 알칼리 용액에서 2500시간 경과 후, 이온전도도가 거의 100% 유지될 정도로 화학적 안정성을 뛰어나고, 1000시간 동안 가속 평가 시 기존에 보고된 가장 낮은 수전해 열화 속도에 비해 약 10배 느린 성능 감소 수치를 보여 내구성이 우수함을 입증했다. 아울러 소재를 활용한 수전해 셀이 우수한 해외 소재보다 월등한 수소 생산 성능을 갖는 등 효율성도 높았다.

이장용 화학연 박사는 "현재 상용 소재의 경우 일반적으로 쓰이는 알칼리수 외에는 매우 낮은 성능을 보이는데, 민물이나 바닷물을 활용한 수전해 구동에 실마리를 제공할 것"이라며 "전기화학적 이산화탄소 전환장치나 연료전지 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 에너지 과학기술 분야 국제 학술지 '에너지&환경과학(지난 4월 30일자)' 온라인에 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr