입력2023.02.01. 오후 2:06

한국화학연구원, 강원대 공동연구 성과

김태호(왼쪽) 박사와 안수민 박사연구원이 개발한 전해질막 소재를 들어보이고 있다.[한국화학연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 물 전기분해를 통해 친환경 그린수소를 생산하는 수전해 장치의 핵심 소재이자, 기존 대비 수전해 성능이 80% 이상 향상된 고성능 전해질막을 개발했다.

한국화학연구원 김태호·안수민 박사, 강원대학교 조용훈 교수 공동 연구팀은 수소 이온은 원활히 이동하면서 수소 기체의 투과는 억제할 수 있는 새로운 전해질막 소재를 개발했다고 1일 밝혔다.

국제에너지기구는 탄소중립 달성을 위한 에너지원으로 수소와 암모니아 가스가 최대 15.7% 비중으로 전망했다. 특히 수소는 에너지, 철강, 화학 등 다양한 산업에서 2050년 기준 6.5억톤이 소비되며, 글로벌 수소 시장이 500조원 규모로 성장할 것으로 예측했다.

그러나 현재 글로벌 수소 생산량의 99%는 화석연료에서 추출되고 있어, 이산화탄소가 함께 배출된다. 결국 탄소중립 달성을 위해 탄소 배출이 없는 그린수소 생산 기술로의 전환이 필수적이다. 따라서 물에서 수소를 대량 생산하고, 태양광, 풍력 등의 재생 전력을 활용하여 수소 생산 전과정이 친환경적인 수전해 방식이 가장 이상적인 모델이다.

수전해 방식의 수소 생산 효율은 높이면서도 화재나 폭발의 위험 없이 안전하게 운전하기 위해서는 수소 이온은 빠르게 전달하면서 수소 기체는 투과하지 않는 전해질막 소재 기술 확보가 관건이다.

특히 흐린 날씨의 태양전지 등 재생에너지 발전량이 적을 경우 수전해 이후 산소와 수소의 혼합 비율이 커짐에 따라 화재나 폭발 발생 가능성이 증가한다. 따라서 발전량 변동과 무관한 ‘낮은 투과율’의 전해질막 개발이 필수적이다.
 

그라프트 고분자 전해질막의 막-전극 집합체 및 양이온 교환막 수전해 시스템.[한국화학연구원 제공]

공동 연구팀은 튼튼한 엔지니어링 고분자 기반의 화학구조를 가지면서 수소 이온을 전달하는 기능이 부여된 ‘가지사슬’을 도입했다. 수소 이온을 전달하는 부분과 막의 강도를 유지하는 부분이 나노미터 크기로 분리된 구조를 가지도록 설계한 새로원 전해질막을 개발했다.

‘높은 전도도’와 ‘낮은 투과율’은 상충관계로써, 동시에 확보하기는 쉽지 않은 개념임에도 불구하고, 연구팀이 개발한 전해질막은 기존 상용막과 비교해 80℃에서 1.6배 이상 향상된 수소 이온 전도도와 기존 대비 약 3분의 1 수준의 낮은 수소 기체 투과율을 나타냈다.

수전해 장치에 적용한 결과 1.9V에서 약 6,000mA/cm2의 전류밀도를 나타내었는데, 이는 동일한 조건에서 기존 상용막을 적용한 결과 대비 80% 이상 증가된 수치다.
 

이번 연구결과가 게재된 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 12월호 표지 이미지.[한국화학연구원 제공]

이번에 개발된 전해질막은 불소계 화합물을 사용하지 않아 제조와 폐기 시 환경문제 발생을 줄일 수고, 가격이 상대적으로 저렴하다. 향후 기존 상용막을 대체할 경우 수전해 장치의 설치비용과 운전비용을 낮추어, 그린수소 생산단가를 크게 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

이미혜 한국화학연구원 원장은 “이번 성과는 상용 수전해 전해질막이 가지는 성능과 안전성 한계를 뛰어넘을 수 있는 원천 소재 기술이며, 100% 수입에 의존하고 있는 기존의 고가 제품을 대체할 수 있는 국산화 소재 기술이 될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과는 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 12월호 표지 논문으로 게재됐다.
 

구본혁 nbgkoo@heraldcorp.com