저비용·고효율 그린수소 생산 경쟁력 향상, 음이온교환막 수전해 기술

수소·산소 발생 촉매 및 이오노머·분리막 등, 시스템 성능·수명 결정

소재 활성·내구성 개선부터 막전극접합체·스택 검증까지 상용화 과제

1. 기술의 개요

1.1 기술의 정의 및 분류

음이온교환막 수전해(Anion Exchange Membrane Water Electrolysis, AEMWE)는 비귀금속 소재를 적용할 수 있는 알칼라인 수전해(Akaline Water Electrolysis, AWE)와 고효율, 고순도 수소를 생산할 수 있는 양이온교환막 수전해(PEMWE, Proton Exchange Membrane Water Electrolysis)의 장점이 융합된 형태이며 저온에서 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 장치이다.

AEMWE는 고전류밀도 및 고압·고순도 수소 생산으로 높은 수소 생산 효율을 보이며 비귀금속 촉매를 사용해 낮은 수소 생산 및 시스템 단가와 간헐적 구동이 용이하여 분산·보급에 적합하다. 또한, 기체투과성이 낮은 AEM을 사용해 부하변동성이 높은 재생에너지와 연계하여 그린 수소를 생산하는데 유리하다. AEMWE에서 수소 및 산소 발생이 일어나는 촉매/전극과 음이온(OH-)의 이동에 직접 관여하는 음이온교환 이오노머/분리막의 활성과 내구성이 시스템의 수명을 결정하는 핵심 요소기술이다.

▲ <그림 1> 그린수소생산을 위한 저온구동형 수전해 시스템 모식도, AWE(左), PEMWE(中), AEMWE(右)

AEMWE는 물을 전기분해 하여 수소를 생산하는 수소생산 시스템이며 크게 수소발생촉매, 산소발생촉매, 이오노머, 분리막, 막전극접합체, 스택, 밸런스 오브 플랜트(Balance of Plant, BOP)로 구성이 되어 있고 역할은 <표 1>과 같다.

▲ <표 1> 음이온교환막수전해 구성요소 및 역할

1) 수소발생촉매 : 수소발생촉매는 환원전극(Cathode)에서 물의 환원반응(4H2O + 4e- → 4OH‑ + 2H2 : 0.83 V vs. RHE)을 일어나게 하는 촉매로써 2전자 반응인 볼머 타펠(Volmer-Tafel) 또는 볼머 헤이로프스키(Volmer-Heyrovsky) 반응의 과전압을 줄여 수소발생이 보다 쉽게 일어나게 하는 소재이다.

2) 산소발생촉매 : 산소발생촉매는 수소전극(Anode)에서 물의 산화반응(4OH‑ → 2H2O + 4e- + O2 : 0.83 V vs. RHE)을 일어나게 하는 촉매이고 수소 발생과 달리 4전자 반응으로 산소가 발생하기 때문에 높은 과전압이 필요하며 수전해 전체의 반응의 속도를 결정한다(율속반응).

3) 이오노머 : 이오노머는 전극층에 사용되는 바인더로서 전극 파우더를 물리적으로 결합시켜 전극층을 형성하게 하고 전극층에서 수산화이온(hydroxyl ion)의 이동 채널을 제공함으로써 전극 반응이 원활하게 일어나도록 하는 음이온교환형 고분자 바인더이다.

4) 분리막 : 분리막은 절연체로서 두 전극 사이에서 단락 및 산소와 수소가 섞이는 것을 방지하며, 환원전극에서 생성된 hydroxyl ion (OH-)을 선택적으로 수소전극으로 이동시킴으로서 수전해 반응을 완성하게하는 음이온교환형 고체 전해질이다.

5) 막전극접합체 : 막전극접합체는 산화전극-분리막-환원전극으로 구성되어 수전해 전체 반응이 일어나는 핵심 부품이며 산화전극에서 물이 산화되어 산소가, 환원전극에서 물이 환원되어 수소가 발생하고 분리막은 선택적으로 hydroxyl ion (OH-)을 이동시키는 역할을 한다.

6) 스택 : 수전해 스택은 MEA가 직렬로 연속해서 연결되어 수소를 대량으로 효율적으로 생산할 수 있게 하는 수전해 시스템의 핵심 부품으로 실제 스택에서 수소가 생산된다. 스택은 2개

이상의 MEA 셀 구성되며 셀의 수를 추가할수록 수소 발생량을 증대시킬 수 있다. 스택의 핵심 부품은 MEA 이지만 이외에 다공성확산층, 가스켓, 분리판, 셀 프레임, 종판 등의 부품이 있다. 수전해장치의 스택은 자동차로 비유하자면 엔진에 해당하는 역할을 수행한다.

7) BOP (Balance of Plant) : BOP는 수전해 스택에서 효율적이고 안전하게 수소를 생산하도록 제어 및 관리하는 수전해 장치의 구성품으로서 기계 파트인 메커니컬 발랜스 오브 플랜트(Mechanical Balance of Plant, MBOP)와 전장품 파트인 일렉트리컬 발랜스 오브 플랜트(Electrical Balance of Plant, EBOP)로 구성된다. 구체적으로 운전 조건, 환경 제어 및 후처리 과정에 다양한 주변 장치(전력공급장치, 펌프, 열교환기, 센서, 유량측정기, 제어장치, 제어 소프트웨어 등)를 말한다.

본 백서에서는 AEMWE의 핵심 소재인 수전해 수소생산 촉매(수소발생촉매, 산소발생촉매)와 음이온교환소재(이오노머, 분리막)를 중심으로 기술한다.

1.2 기술의 원리

AEMWE 기술은 저가인 비귀금속 소재를 적용할 수 있는 알칼라인 수전해 기술과 고효율로 수소를 생산할 수 있는 양이온교환막 수전해 기술의 구조적 장점이 융합된 형태로서 저온 및 낮은 전해액 농도 (0.1~1M 알칼라인 전해액) 또는 중성 전해액에서 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 장치이다.

AEMWE에서 수소 및 산소 발생이 일어나는 촉매/전극과 음이온(OH-)의 이동 경로인 이오노머/분리막의 활성과 내구성이 최종 시스템의 성능을 결정하는 주요 인자이다. 산소극에 전해액이 공급이 되면 물이 산소극에서 수소극으로 이동하고 환원전극에서 물은 환원되어 수소와 OH-를 생성한다 (Cathode: 4H2O + 4e- →4OH- + 2H2).

이때 발생한 수소는 수전해 장치 외부로 이동해서 저장된다. 생성된 OH-는 수소극에서 산소극으로 이동하여 물 산화반응이 일어나 산소가 생성되고 이는 전해액과 섞여 스택 외부로 이동한다. (Anode: 4OH- → 2H2O + O2+4e-). 이 때 필요한 에너지는 이론적으로 1.23V 이며 실제 물의 전기분해 반응시에는 과전압이 추가로 필요해진다.

▲ <그림 2> 음이온교환막 수전해 원리 및 모식도

AEMWE 기술의 주요 장점으로는 △고전류밀도 및 고압·고순도 수소 생산으로 높은 수소 생산 효율 △비귀금속 촉매를 사용해 낮은 시스템 단가 △간헐적 구동이 용이하여 분산·보급에 적합 △다양한 pH(7~14)를 가지는 전해액과의 높은 융합성, 기체투과성이 낮은 음이온 교환막을 적용해 고 부하변동성 재생에너지와 연계가 유리하다는 점이 있다.

더불어 해결해야 할 기술적 난제로는 △비귀금속 촉매 소재의 귀금속 소재 대비 낮은 활성 및 내구성 △상용 음이온교환소재의 시스템 적용 한계 및 높은 수입 의존도 △스케일 업(촉매→MEA→스택)에 따른 단위면적당 성능 저하 △on-off 구동환경 하에서의 AEMWE 스택 내구성 열화 가속화 문제가 있다.

1.3 기술의 중요성

▲ <그림 3> AEMWE스택의 구조

AEMWE는 부하변동성이 높은 재생에너지와 연계하여 고압·고순도의 그린수소를 저가로 생산할 수 있기 때문에 탄소중립 목표달성에 용이한 수소생산 장치이다. 비귀금속 수소 및 산소발생촉매 극한 환경 소재 기술 개발의 필요성은 다음과 같다.

(1)물의 산화 및 환원반응으로 산소와 수소가 발생 되는 수전해에서 그 반응은 산소극와 환원전극의 촉매 표면에서 일어나고 이때 반응의 활성화에너지를 줄여 전체 반응 과전압을 줄일 수 있는 촉매 소재가 중요하다. (2)대표적인 수소 및 산소 발생 촉매는 PGM(Platunum Group Metal)의 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru) 등 귀금속 또는 그의 산화물이며 활성과 내구성이 높아 AEMWE의 촉매 연구의 소재로 많이 사용되고 있으나 비귀금속 대비 많게는 2만배 이상 높은 소재 비용과 높은 가격 변동성 때문에 대량생산 시스템 적용에 한계가 있다.

(3)AEMWE는 반응환경이 산성인 PEMWE와 달리 반응 중에 OH-가 이동하는 알칼라인 분위기이므로 수소 또는 산소발생촉매로 알칼라인에서 안정한 니켈(Ni), 코발트(Co)0, 망간(Mn), 철(Fe) 또는 그들의 산화물을 촉매 소재로 사용할 수 있다. (4)PGM 소재 대비 비귀금속 촉매 소재의 낮은 활성과 내구성은 AEMWE의 상용화를 위해 반드시 극복해야 하는 핵심이나 경쟁 소재인 귀금속 소재 동등 이상의 활성과 내구성을 확보하는 것은 기술적 난도가 매우 높다.

(5)비귀금속 촉매 소재 연구는 많이 수행되었고 현재 진행되고 있어 활성 측면에서는 일부 귀금속 촉매를 능가하는 경우가 있으나 아직 내구성에서는 많은 연구가 필요하다. (6)특히, AEMWE의 상용화하려면 촉매 소재 자체의 활성 및 내구성 개선 연구와 더불어 소재-부품-시스템으로 이어지는 검증 연구도 필요하다.

분리막 및 이오노머 극한 환경 소재 기술 개발 필요성은 다음과 같다. 양이온교환소재를 사용하는 연료전지 및 수전해 시스템의 상용화가 진행됨에 따라 이의 단점을 근본적으로 보완할 수 있는 AEMWE의 중요성이 부각되고 있다. 또한 음이온교환소재는 음이온교환막 수전해에서 전극 사이의 고체 전해질로 사용될 뿐 아니라 전극층에서 음이온의 이동 채널을 형성하고 전극 파우더를 물리적으로 결합해 안정적인 전극층을 형성하게 하는 핵심 화학소재로 사용되고 있기 때문이다.