[월간수소경제 성재경 기자] 온실가스를 배출하지 않는 그린수소를 생산하기 위한 수전해 기술 개발이 활발하다. 현재 일부 선진국이 핵심 소재기술을 보유하고 있는 양이온교환막(PEM) 수전해 기술은 고가의 귀금속 촉매와 과불화탄소계(PFCs) 양이온교환막을 사용해 시스템 제조비용이 높다.
이 와중에 국내 연구진이 그린수소 생산비용을 크게 낮추면서 내구성과 성능을 대폭 향상시킨 차세대 음이온교환막(AEM) 수전해의 핵심기술을 개발했다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터 이소영 박사팀과 한양대학교(한양대, 총장 김우승) 에너지공학과 이영무 석좌교수팀이 공동연구를 통해 AEM 수전해용 막전극접합체(MEA)를 개발했다.
AEM 수전해는 비귀금속 촉매를 사용하고, 수전해 셀을 구성하는 분리판 소재 등을 티타늄이 아닌 철(Steel) 소재로 대체했다. 촉매와 분리판 소재의 가격만 단순 비교해도 PEM 수전해 대비 약 3,000배 정도 제조비가 저렴하다.
하지만 그동안 AEM 수전해는 PEM 대비 성능이 낮고, 운전 시간이 채 100시간이 되지 않는 내구성 문제로 상용화에 어려움을 겪어왔다.
연구진은 구조 내 비표면적을 높여 높은 이온전도성과 알칼리 내구성을 갖는 플루오렌-피페리디늄계 음이온교환 소재(전해질막과 전극바인더)를 개발하고, 이를 기반으로 막전극접합체를 개발했다. 이번에 개발한 소재는 1,000시간 이상의 뛰어난 내구성을 가지며, 세계 최고의 전지 성능인 7.68A/㎠를 보였다. 이는 기존 AEM 소재 대비는 약 6배, 고가의 상용 PEM 수전해 기술(6A/㎠) 대비 약 1.2배의 성능이다.
KIST 이소영 박사는 “기존 수전해 기술의 한계를 뛰어넘는 원천 소재와 고효율화 기술"이라며 “그린수소 생산 비용을 획기적으로 낮출 수 있는 수전해 기술 세대 교체의 발판을 마련한 것”이라고 말했다.
한양대 이영무 교수는 “이번에 개발된 소재는 수전해뿐 아니라 수소연료전지, 차세대 수소 산업인 이산화탄소 자원화 및 직접 암모니아 연료전지의 핵심 소재로 응용 가능성이 높다”고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST의 주요사업과 산업기술평가원의 소재부품기술개발사업으로 수행됐다. 이번 연구 결과는 ‘Energy & Environmental Science’ 최신호에 게재됐다.
