서울과기대 조원철 교수 연구팀, 차세대 알칼라인 수전해 분리막 기술 『Chemical Reviews』에 게재

▲ (왼쪽부터) 서울과학기술대학교 조원철 부교수, KIST Dirk Henkensmeier 책임연구원

서울과학기술대학교(총장 이동훈, 이하 서울과기대) 조원철 교수가 포함된 연구팀의 차세대 알칼라인 수전해 분리막 기술에 대한 연구결과가 나노기술 분야 최상위 학술지인 『Chemical Reviews』 에 게재됐다.

서울과기대 조원철 교수, 한국과학기술연구원(KIST)의 Dirk Henkensmeier 책임연구원, 그리고 스웨덴의 덴마크 기술 대학교(Technical University of Denmark: DTU) 공동 연구진은 대표적인 알칼라인/AEM 수전해 분리막인 다이아프램 분리막(Diaphgram membrane), 이온 음이온 교환막(Anion exchange membrane, AEM), 이온 용해막(ion-solvating membrane, ISM)의 특성, 개발 현황, 및 미래 개발 전략을 총정리해서 발표했다.

전세계 수전해 분리막 개발을 선도하고 있는 국내 연구팀이 발표한 이번 연구 결과는 나노기술 분야 최상위 학술지인 케미컬 리뷰(Chemical Reviews, Impact Factor 62.1 (2022))에 올해 4월 26일 게재되는 성과를 거두었다.

▲ Chemical Reviews 게재 화면

케미컬 리뷰 학술지는 미국화학회(American Chemical Society)가 발간하는 학술지로 관련 분야 최정상 권위자들이 연구 동향과 전망을 집대성해서 제시하는 저널이다. 네이처(Nature), 사이언스(Science)와 함께 큰 영향력을 인정받고 있다.

알칼라인/AEM 수전해는 값비싼 귀금속 촉매를 사용하는 PEM 수전해와 달리 저렴한 전이금속(Ni, Fe, 등)기반 소재 사용이 가능하여 가격경쟁력이 높고 오랜 기간 안정적인 운전 기술이 입증된 기술 성숙도가 높아, 그린수소 생산 기술을 선도할 기술로 평가받고 있다.

하지만 여전히 그린수소 가격은 높은 편으로($7~12/kg) 수소 경제 실현은 요원한 상태이다. 이를 극복하기 위하여 미국은 23년 Hydrogen Shot사업을 통해서 10년 이내 $1/1kg 달성의 공격적인 목표를 제시하고 있다.

하지만, 경제성 확보를 위한 기술적 난제를 해결하기 위해서는 보다 혁신적인 분리막 개발이 필요하다. 수소 생산량을 높이는 과정에서 분리막에서 발생하는 에너지 손실(과전압)이 여전히 커서 비용을 상승시키고 가스 혼합으로 안전사고의 우려가 있기 때문이다.

▲다이아프램 분리막 ▲이온 음이온 교환막 ▲이온 용해막 등 현재 상용화에 근접한 알칼라인 수전해 분리막 중에서 모든 복합적인 요건을 만족하는 분리막은 아직 부재한 실정으로, 전 세계가 대면적화, 가격경쟁력, 수명 등 상업화에 적합한 수전해 분리막 개발을 위해서 많은 연구 개발 활동을 진행하고 있다.

이러한 환경에서 이번 연구결과가 발표되기 전까지는 각각의 고유 특성, 수명, 운전 환경, 등의 차이로 수전해 분리막들에 대한 강점, 약점, 개선점 등에 대해서 체계적인 정리가 이뤄지지 못했다. AEM을 이용한 수전해가 일부 실증되고 있지만, AEM에 포함된 4차 암모늄 그룹의 낮은 안정성으로 문제가 많았던 것이 그 예다.

서울과기대 조원철 교수는 현재 상용화가 된 다이아프램막의 연구 동향과 다이아프램막의 한계 극복 전략을 제시하였다.

다이아프램막은 내구성은 우수하지만 오믹 과전압이 높고 가스 혼합의 문제점이 있었다. 하지만 나노 기공 구조를 극대화하면서 표면의 고분자층을 제거하면 상기 문제점이 극복 가능함을 제시하였다.

또한, 차세대 기술로 제조비용을 획기적으로 절감할 수 있도록 나노 촉매가 직접 코팅된 다이아프램막 개발 전략을 제시하였다.

KIST의 Dirk Henkensmeier 책임연구원은 새로운 ISM 기준을 제시하였다.

ISM이란 이온 전도성을 확보하기 위하여 KOH 전해질이 함침된 소재인데, 최소 20 wt%의 고농도 KOH가 필요했다.

하지만, 본 연구에서 차세대 ISM은 내구성이 낮은 4차 암모늄 그룹의 도입을 과감히 탈피하고 저농도 ~5 wt%(1M KOH)에서도 우수한 성능을 보일 수 있음을 보고하였다.

조원철 교수는 “알칼라인 수전해 분리막은 일부 상용화의 진전을 이루었으나 아직 개선해야할 점이 많다”며, “이번 연구는 국내 연구자와 국제공동 연구의 결과로 알칼라인 수전해의 현재 문제점과 한계점과 향후 극복 방법의 핵심적인 원리와 그 활용을 체계적으로 정리했다는 점에서 의의가 크다.”라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국전력공사의 사외공모위탁연구개발과제 (과제번호 R23XO04)와 에너지기술평가평 개발과제(RS-2023-00234654, RS-2023-00232657)의 지원을 받아 이뤄졌다.

온라인 중앙일보