이산화탄소 발생 없이 물에서 수소를 추출하는 수전해 기술 개발이 활발하다. 다만 일부 선진국이 핵심 소재 기술을 갖춘 '양이온교환막 수전해 기술'은 시스템 제조 비용이 높다. 활용되는 귀금속 촉매, 과불화탄소(탄소와 불소 화합물)계 양이온교환막이 고가기 때문이다.
한국과학기술연구원(KIST)은 이소영 수소·연료전지연구센터 연구원팀과 이영무 한양대 에너지공학과 석좌교수팀이 음이온교환막 수전해용 막전극접합체(MEA)를 개발했다고 30일 밝혔다. 고가 양이온교환막 수전해(PEMWE)기술을 대체할 수 있을 전망이다.
연구팀의 음이온교환막 수전해는 비귀금속 촉매를 사용하고 수전해 셀을 구성하는 분리판 소재 등을 티타늄이 아닌 철 소재로 대체했다.
촉매 및 분리판 소재 가격만 비교했을 때도 양이온교환막 수전해 대비 약 3000분의 1 정도로 제조 비용이 저렴하다. 그 동안은 양이온교환막 수전해 대비 성능이 낮고, 운전 시간이 100시간이 채 되지 않는 내구성 문제가 있어 상업 활용이 어려웠다.
연구진은 구조 내 비표면적을 증대시켜 높은 이온 전도성과 알칼리 내구성을 갖는 플루오렌-피페리디늄계 음이온교환 소재(전해질막과 전극바인더)를 개발하고 이를 기반으로 막전극접합체를 개발했다.
개발 소재는 1000시간 이상 쓸 수 있고 세계 최고 전지 성능인 7.68A/㎠을 보였다. 기존 음이온교환 소재 대비 약 6배, 고가 상용 양이온교환막 수전해 기술(6A/㎠) 대비 약 1.2배 성능이다.
성능 및 내구성 이외에도 개발한 음이온교환막 소재는 대용량 및 대면적화 기술을 접목하여 상용화에 박차를 가하고 있다.
이소영 연구원은 “그린 수소 생산비용을 획기적으로 낮출 수 있는 수전해 기술 세대교체의 발판을 마련한 것”이라고 밝혔다.
이영무 교수는 “개발 소재는 수전해 뿐 아니라 수소연료전지, 차세대 수소산업인 이산화탄소 자원화 및 직접 암모니아 연료전지의 핵심소재로 응용 가능성이 높다”고 밝혔다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
