[POSTECH · 한국재료연구원, AEMWE 장기 내구성 높일 새로운 전략 제시]

그린 수소(green hydrogen)는 온실가스 배출량이 거의 없어 가장 친환경적인 수소다. 주로 태양광이나 풍력 등 재생 가능한 에너지로 생산한 전기를 이용하여 물로 수소를 만드는데, 최근 POSTECH(포항공과대학교) · 한국재료연구원 연구팀이 그린 수소를 얻는 수전해 시스템의 내구성을 높여 학계의 주목을 모으고 있다.

화학공학과 박태호 교수, 박사과정 임해량 씨 연구팀은 한국재료연구원 에너지 · 환경재료연구본부 최승목 박사, 정재엽 씨 연구팀과의 공동 연구를 통해 음이온 교환막 수전해(이하 AEMWE^*1)에 필요한 고이온전도도 · 고안정성 음이온 교환막을 개발했다. 이번 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 최근 게재됐다.

수전해(Water electrolysis) 시스템은 전기를 이용해 물(H2O)에서 수소(H2)를 얻는 친환경 기술이다. 여러 시스템 중에서도 수전해 과정에서 음이온(OH-)의 이동을 돕는 음이온 교환막을 사용한 AEMWE의 경우 값싼 비귀금속 촉매를 사용해 수소 생산 단가가 낮아 차세대 수전해 기술로 떠오르고 있다.

그러나, AEMWE는 양이온 교환막 수전해(이하 PEMWE^*2)에 비해 이온전도도가 낮다는 문제점이 있었다. 이는 AEMWE가 선택적으로 이동시키는 음이온(OH-)이 PEMWE가 선택적으로 이동시키는 양이온(H+)보다 무겁고, 음이온 교환막이 고리 모양의 방향족 구조로 이루어져 이온 분자 간 상호작용이 강해 이온의 이동성이 낮기 때문이다. 또한, 알칼리 환경에서 음이온 교환막이 쉽게 분해되어 안정성과 에너지 전환 효율이 떨어졌으며, 내구성도 PEMWE의 10분의 1에 불과했다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 AEMWE 교환막을 구성하고 있는 고분자 주 사슬 및 이온 전도성 작용기들 사이 사이에 탄소가 선형적으로 연결된 기다란 모양의 알킬기(alkyl group)를 도입해 ‘틈새 알킬 사슬(Interstitial alkyl chain)’을 가진 음이온 교환막을 합성했다.

이 사슬은 음이온 교환막의 이온 전도채널 형성과 막과 촉매 층 간 상호작용을 개선하여 AEMWE 내 이온 이동 속도를 높였다. 그리고, 연구팀이 만든 교환막은 유연한 특성을 가져 외부 압력과 충격에도 강한 내구성을 보였다.

실험 결과, AEMWE는 1.0A/cm²(표면적당 전기 전류 밀도)에서 2mV/kh(시간당 전압)의 낮은 전압 감쇠율을 보이며, 안정성을 입증했다. 그리고, 대면적(63.6cm2) 시스템에서도 2,000여 시간 동안 80.2%라는 높은 에너지 전환 효율을 보였으며, 초기 효율의 90%를 기준으로 대략 50,000여 시간 작동이 가능한 예측 수명을 보이는 데 성공했다.

박태호 교수는 “AEMWE 상용화의 큰 문제였던 낮은 내구성 문제를 극복했다”라며 연구의 의의를 전하며, “지속가능한 에너지 산업 발전에 기여해 환경 보호와 자원 절약에 큰 도움이 되길 바란다”라는 말을 전했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 탄소제로 그린암모니아 사이클링연구사업 및 C2S(Catalyst to Stack) 성능 저하 최소화를 위한 전극 형상 · 구조 제어 기술 개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

DOI: https://doi.org/10.1002/aenm.202401725

1. AEMWE
Anion Exchange Membrane Water Electrolysis

2. PEMWE
Proton Exchange Membrane Water Electrolysis