▲ 재생에너지로 부터 전기를 공급받아 그린수소를 생산하는 세계 최고성능 및 고내구성 차세대 음이온교환막 수전해 장치 모식도

국내 연구진이 그린수소 생산비용을 획기적으로 낮추며 내구성과 성능이 대폭 향상시킬 수 있는 차세대 수전해 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지센터 이소영 박사팀과 한양대학교(한양대, 총장 김우승) 에너지공학과 이영무 석좌교수팀이 공동연구로 음이온교환막 수전해용 막전극접합체(MEA)를 개발했다고 최근 밝혔다.

음이온교환막 수전해는 비귀금속 촉매를 사용, 수전해 셀을 구성하는 분리판 소재등을 티타늄이 아닌 철 소재로 대체했다. 촉매 및 분리판 소재의 가격만 비교해도 양이온교환막 수전해 대비 약 3천배 정도 제조비용이 저렴하다.

하지만 그동안 양이온교환막 수전해 대비 성능이 낮고, 운전시간이 100시간이 채 안돼 내구성문제가 있어 상업적으로 활용이 되지 못했다.

연구진은 구조 내 비표면적을 증대, 높은 이온전도성과 알칼리 내구성을 갖는 플루오렌-피페리디늄계 음이온교환 소재(전해질막과 전극바인더)를 개발하고, 이를 기반으로 막전극접합체를 개발했다.

개발된 소재는 1000시간 이상의 내구성과 세계 최고 수준의 전지 성능인 7.68A/cm2을 보였다. 이는 기존 음이온교환 소재 대비 약 6배, 고가의 상용 양이온교환막 수전해 기술(6A/cm2) 대비 약 1.2배의 성능이다.

이는 그동안 음이온교환막 수전해에서 한계로 지적된 소재의 성능과 내구성 문제를 극복하고, 국내기술만으로 양이온교환막 수전해 기술 역시 대체 가능한 수준까지 끌어올린 것이라고 평가받는다.

KIST 이소영 박사는 “기존 수전해 기술의 한계를 뛰어넘는 원천 소재 및 고효율화 기술을 개발했다”며 “그린수소 생산비용을 낮추는 수전해 기술 세대교체의 발판을 마련한 것”이라고 밝혔다.

한양대 이영무 교수는 “수소연료전지, 이산화탄소 자원화 및 직접 암모니아 연료전지의 핵심소재로 응용가능성이 높다”고 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 임혜숙)의 지원을 받아 KIST의 주요사업과 산업기술평가원의 소재부품기술개발사업으로 수행됐으며, 이번 연구 결과는 ‘Energy & Environmental Science’ (IF: 38.532, JCR 분야 상위 0.182%) 최신 호에 게재됐다.