수소 전문기업 코멤텍(대표 김성철)은 국내 최초로 수전해 핵심부품인 양성자 교환막 성능과 내구성을 획기적으로 개선한 강화복합막을 개발, 탄소 배출이 없는 그린 수소 상용화에 기여할 수 있게 됐다고 28일 밝혔다.
물을 전기 분해해 수소와 산소를 생산하는 수전해는 미래 에너지원으로 온실가스나 대기오염 물질을 배출하지 않은 친환경 방식이다. 하지만 핵심 부품인 양성자 교환막 가격과 내구성이 확보되지 않아 양산화 걸림돌이 되고 있다.
양성자 교환막은 고분자 전해질을 사용하며 전체 수전해 시스템 가운데 30% 비중을 차지한다. 높은 효율로 고전류밀도 운전이 가능하며 재생 에너지 출력 변동성에 대응하기 쉬운 장점을 갖고 있다. 하지만 높은 사용압력 때문에 두꺼운 양성자 교환막을 필요로 한다.
이러한 양성자 교환막은 수소이온만을 선택적으로 통과시키는 과불소계 술폰화(PFSA) 이오노머가 주 원료인데, 고가인데다 두껍게 제작할수록 생산 단가가 높아져 상용화를 어렵게 만들고 있다. 현재 미국이나 일본에서 전량 수입해 사용하고 있는 외산 제품은 지지체를 사용하지 않은 캐스팅막으로 생산하기 때문에 가격 및 내구성에 문제가 있다.
코멤텍 연구진은 수소연료전지용 PTFE 강화복합막 지지체로 사용하는 PTFE 멤브레인을 이용해 난제를 해결했다. 새롭게 개발한 수전해용 강화복합막은 기존 180㎛, 280㎛가량의 두께를 100㎛ 이하로 크게 줄였다. 양성자 교환막 성능과 내구성을 높였고 고가 원료 사용량을 저감해 수전해 시스템 가격을 획기적으로 낮출 수 있다.
코멤텍은 유럽 수소 전문 연구업체인 오스트리아 하이센타와 지난 6월 기밀유지협약(NDA)을 맺고 공동연구 및 테스트를 실시했다. 수전해용 PTFE 강화 복합막 이온전도도 0.1S/㎝ 이상, 100℃ 함수 환경에서 인장강도 25메가파스칼(MPa), 모듈러스(탄성계수) 65MPa 이상을 달성했다. 기존 캐스팅막 제품 대비 두께를 2~4배 줄이고도 성능이나 기계적 강도는 동등 이상의 성능을 보인 혁신적 결과다.
수소연료전지용 PTFE 강화복합막과 막-전극 전합체(MEA), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 시스템을 생산하고 있는 코멤텍은 그린수소 생산 핵심기술인 양성자 교환막 수전해 시스템 조기 상용화에 나설 계획이다. 수소연료전지뿐만 아니라 수전해 분야로 사업영역을 확장한다.
김성철 대표는 “새롭게 개발한 수전해용 PTFE 강화복합막을 통해 양성자 교환막 수전해 시스템 상용화에 걸림돌인 높은 가격과 낮은 내구성 문제를 동시에 해결했다”면서 “새롭게 개발한 수전해용 강화복합막은 그린 수소 생산 단가를 낮추는 계기가 될 수 있을 것”이라고 말했다.
이어 “수전해용 PTFE 강화복합막이 향후 그린 수소 산업을 이끌어 나가는 핵심으로 자리매김하고 국가경쟁력을 강화할 수 있는 출발점이 될 수 있도록 하겠다”고 덧붙였다.
한편 수전해 시장은 꾸준히 증가하는 추세다. 최근 우크라이나와 러시아 전쟁으로 인해 에너지 원료 수급이 원활하지 못한 유럽을 중심으로 급격히 성장하고 있다. 다만 현재까지 그린수소의 생산 단가는 그레이 수소(탄소를 수반해 생산된 수소) 보다 약 2배 가량으로 생산 단가 절감이 필요한 상황이다. 기존 수소연료전지 산업과 개발 방향이 초기 캐스팅막으로 진행돼온 수전해 관련 산업은 성능과 내구성을 획기적으로 개선한 PTFE 강화 복합막 등장으로 조기 상용화 계기가 될 것으로 예상된다.
영광=김한식기자 hskim@etnews.com
