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기존 상용막 대비 성능이 80% 이상 향상된
친환경 수소 생산용 고성능 전해질막 개발

화학소재연구본부

그린수소 생산을 위한 가지사슬 구조의 새로운 전해질막 소재를 개발한 화학연 김태호 박사 연구팀(좌)김태호 책임연구원(센터장), (우)안수민 박사후연구원

수소 산업이 12대 국가전략기술 중 하나이자 기후변화 문제 해결 및 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술로 자리잡고 있는 가운데, 국내 연구진이 물 전기분해를 통해 친환경 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 핵심 소재이자 기존 대비 수전해 성능이 80% 이상 향상된 고성능 전해질막을 개발하였다.

화학연 김태호·안수민 박사, 강원대학교 조용훈 교수 공동연구팀은 최근 발표된 연구에서 양이온 교환막 수전해 장치에 적용 시 ▲수소 이온은 원활히 이동하면서 ▲수소 기체의 투과는 억제할 수 있는 가지사슬 구조의 새로운 전해질막 소재를 개발했다.

본 기술을 수소 경제 구현의 핵심인 ‘수전해 기술’에 응용한다면 그린수소를 보다 안전하고 효율적으로 제조할 수 있을 것으로 전망된다. 뿐만 아니라, 비싼 상용소재를 대체하여 수소 생산 비용을 낮추고, 핵심 소재 국산화와 수소 기술 확산에도 기여할 것으로 기대된다.

국제에너지기구(International Energy Agency)는 탄소중립 달성을 위한 에너지원으로 수소와 암모니아 가스가 최대 15.7% 비중이 될 것으로 전망하였다. 특히 수소는 에너지, 철강, 화학 등 다양한 산업에서 2050년 기준 6.5억 톤이 소비되며, 글로벌 수소 시장이 500조 원 규모로 성장할 것으로 예측하였다.

그러나 현재 글로벌 수소 생산량의 99%는 화석연료에서 추출되고 있어, 이산화탄소가 함께 배출된다. 결국 탄소중립 달성을 위해 탄소 배출이 없는 그린수소 생산 기술로의 전환이 필수적이다. 따라서 물에서 수소를 대량 생산하고, 태양광, 풍력 등의 재생 전력을 활용하여 수소 생산 전 과정이 친환경적인 수전해 방식이 가장 이상적인 모델이다.

이러한 수전해 방식의 수소 생산 효율은 높이면서도 화재나 폭발의 위험 없이 안전하게 운전하기 위해서, ▲수소 이온은 빠르게 전달하면서 ▲수소 기체는 투과하지 않는 전해질막 소재 기술 확보가 관건이다.

(좌) ACS Energy Letters 12월호 Supporting 표지 논문 선정 / (우) 양이온 교환막 수전해 시스템

특히 흐린 날씨의 태양전지 등 재생에너지 발전량이 적을 경우 수전해 이후 산소와 수소의 혼합 비율이 커짐에 따라 화재나 폭발 발생 가능성이 증가한다. 따라서 발전량 변동과 무관한 ‘낮은 투과율’의 전해질막 개발이 필수적이다.

최근 높은 효율과 넓은 운전 범위 구현이 가능한 ‘양이온 교환막 수전해’ 기술이 대표적인 수전해 기술로 손꼽히고 있는데, 대표적으로 ‘나피온(Nafion)’과 같은 불소계 고분자막이 주로 적용되고 있다. 하지만 낮은 기체차단성, 막 두께로 인한 성능 저하, 제조·폐기 시 환경문제, 경제성 등의 여러 단점이 있는 것으로 알려졌다.

이에 화학연과 강원대 공동 연구팀은 튼튼한 엔지니어링 고분자 기반의 화학구조를 가지면서 수소 이온을 전달하는 기능이 부여된 ‘가지사슬’을 도입하였다. 수소 이온을 전달하는 부분과 막의 강도를 유지하는 부분이 나노미터 크기로 분리된 구조를 가지도록 설계하여, ▲수소 이온이 원활하게 이동(높은 전도도)할 수 있으면서 ▲수소 기체의 투과는 억제(낮은 투과율)할 수 있는 새로운 전해질막을 개발하였다.

‘높은 전도도’와 ‘낮은 투과율’은 상충관계로서, 동시에 확보하기는 쉽지 않은 개념임에도 불구하고, 연구팀이 개발한 전해질막은 기존 상용막과 비교해 ▲80℃에서 1.6배 이상 향상된 수소 이온 전도도와 ▲기존 대비 약 3분의 1 수준의 낮은 수소 기체 투과율을 나타내었다. 결과적으로, 수전해 장치에 적용한 결과 1.9V에서 약 6,000mA/cm²의 전류밀도를 나타내었는데, 이는 동일한 조건에서 기존 상용막을 적용한 결과 대비 80% 이상 증가된 수치이다.

이번에 개발된 전해질막은 불소계 화합물을 사용하지 않아 제조와 폐기 시 환경문제 발생을 줄일 수 있고, 가격이 상대적으로 저렴하다. 향후 기존 상용막을 대체할 경우 수전해 장치의 설치비용과 운전비용을 낮추어, 그린수소 생산단가를 크게 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

이번 성과는 상용 수전해 전해질막이 가지는 성능과 안전성 한계를 뛰어넘을 수 있는 원천 소재 기술이며, 100% 수입에 의존하고 있는 기존의 고가 제품을 대체할 수 있는 국산화 소재 기술이 될 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 'ACS Energy Letters'(IF: 23.991) 2022년 12월호 표지 논문으로 게재됐다. 또한 이번 연구는 화학연 기본사업, 과기정통부 나노및소재기술개발사업, 수소에너지혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.