한국재료연구원 "버려지는 물로 양질의 수소 생산"

폐알칼리 기반 음이온 교환막 수전해 기술 국내 첫 개발

그린수소재료연구실 양주찬·최승목 박사 연구팀

[창원=뉴시스] 홍정명 기자= 폐알칼리 기반 음이온 교환막 수전해 기술을 국내 최초로 개발한 한국재료연구원 그린수소재료연구실 연구진. 왼쪽부터 양주찬 박사, 최승목 박사, 정재엽 연구원, 박유세 박사.(사진=한국재료연구원 제공)2022.12.05. [email protected]

[창원=뉴시스] 홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 그린수소재료연구실 양주찬·최승목 박사 연구팀이 고성능 비귀금속 촉매·전극 소재를 개발하고, 이를 폐알칼리 수전해 시스템에 적용해 비귀금속 기반의 폐알칼리 음이온 교환막 수전해 기술을 국내 최초로 개발하는 데 성공했다고 5일 밝혔다.

'음이온 교환막 수전해 기술'은 기존의 알칼라 수전해 기술이 가진 비귀금속 기반 전극 사용의 장점과 양이온 교환막 수전해 기술의 작동 용이성 및 단순성이 결합한 이상적인 기술을 말한다.

그린수소 생산성 향상과 더불어 고순도의 수소를 얻을 수 있는 차세대 수전해 시스템으로 통한다.

그린수소 생산 방식인 수전해 연구는 지금까지 깨끗한 물(정제수) 기반의 전해질을 사용해왔다.

수전해를 통해 수소 1t을 생산하려면 평균 약 9t의 정제수가 필요하고, 9t의 정제수를 얻기 위해서는 약 2배인 18t가량의 물이 요구된다.

이처럼 그린수소 생산에는 전기분해에 필요한 전력 이외 막대한 양의 물이 요구되기 때문에 물과 관련한 비용 또한 가격경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 된다.

폐알칼리는 pH(페하) 12.5 이상 강알칼리성 폐기물로, 반도체 수요 폭증과 전자산업 발전 등으로 배출량이 매년 증가하는 추세에 있다.

연구팀은 폐알칼리를 직접 전해질로 사용한 수전해 핵심 원천 소재 및 부품의 상용 시스템을 모사한 단위셀에 적용하기로 했다.

먼저, 비귀금속 촉매 활성과 내구성을 동시에 확보하기 위해 고전도 탄소층을 촉매 표면에 균일하게 코팅한 복합촉매를 개발했다.

복합촉매는 전극화 공정에도 높은 균일성을 보였으며, 음이온 교환막 수전해 단위셀 평가에서도 기존 전극 대비 약 2.8배 우수한 활성과 고내구성을 나타냈다.

연구팀은 이 기술을 폐알칼리 전해질 기반 수전해 단위셀에 적용해 1420mA/㎠(비귀금속 적용, 2V 기준)의 높은 전류밀도를 달성했고, 수소를 원활하게 생산할 수 있는 전류밀도에서도 향상된 내구성을 보이는 걸 확인했다.

특히, 폐알칼리 속에 존재하는 금속 이온의 분석을 통해 증가한 전해질 이온전도도가 수전해 성능을 향상시킨 사실을 밝혀냈다.

현재 연구팀은 대면적 균일 전극화를 통한 폐알칼리 수전해 스택 시스템 적용 및 상용화를 위한 후속 연구를 진행 중이다.

연구책임자인 양주찬 선임연구원은 "개발한 기술은 폐알칼리 전해질을 사용하기 때문에 고농도의 순수 알칼리염 전해질 사용 비용을 획기적으로 절감할 수 있다"고 강조했다.

그린수소재료연구실장으로 과제책임자인 최승목 책임연구원은 "개발 기술이 상용화되면 기존의 알칼리 기반 수전해 시스템에 즉각적인 활용이 가능해 수소 양산화와 수소 생산시장 진입에 큰 도움이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국재료연구원 '그린수소 생산을 위한 AEM 수전해용 고내구 전극 및 평가 기술 개발' 과제와 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 '수소 생산을 위한 2.5㎾급 폐알칼리 AEM 수전해용 고성능 촉매 전극 및 부품화 기술 개발' 과제를 통해 수행됐다.

연구 결과는 재료에너지 분야 저명 국제학술지 ‘저널 오브 머티어리얼스 케미스트리 A'(IF=14.511)에 1저자 정재엽 박사과정 연구원, 박유세 박사(충북대 교수)의 이름으로 11월10일자에 게재됐다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]