SPecial 탄소중립 실현을 위한 수소에너지 기술 개발 및 산업 응용 동향

탄소중립 실현을 위한 음이온 교환막 수전해 그린수소 생산기술

최승목_한국재료연구원 그린수소재료연구실 책임연구원

1. 서론

산업화 이후, 경제성장과 기술 발전으로 인해 인류사회의 삶의 수준은 전반적으로 상당한 향상을 이루었다. 그러나 산업화의 가속화는 전 세계적인 에너지 소비량을 급증시켰고, 특히 화석연료의 사용으로 인한 온실가스(Green house gas) 및 이산화탄소(CO2)의 배출은 인류사회에 심각한 기후변화와 환경문제를 발생시켰다. 온실가스에 의한 지구온난화는 해수면 상승, 물 부족, 해양산성화, 생태계 붕괴 등을 초래하여 인류사회에 회복할 수 없는 기후위기를 유발하였고 이에 인류는 심각성을 인지하고 기후위기 대응을 위한 노력을 강화하고 있다. 기후변화와 환경문제는 20세기에 들어 광범위하게 논의되어 국제사회의 핵심 주제로 부상하였다. 1990년 IPCC(기후변화에 관한 정부 간 패널)의 ‘1차 보고서’는 기후변화에 영향을 미치는 주요 인자에 대한 과학적 근거를 다루어 기후위기 대응 방안을 모색하였고, 2005년에는 38개국 선진국들을 대상으로 한 교토의정서가 발효되었으며, 2016년에는 197개 협약 당사국들이 자발적으로 감축 목표를 제출한 파리협정이 체결되어 2020년부터는 새로운 글로벌 기후변화 대응체제가 출범하였다. 이와 같이 국제사회는 기후위기에 대응하는 탄소중립 실현을 위해 다양한 정책을 수립하고 이행 중이다. 탄소중립(Carbon neutrality 또는 Net zero)은 지구상에서 배출되는 온실가스의 양과 흡수되는 양이 균형을 이루어 순배출량이 ´0´인 상태를 의미한다.
  국내에서도 역시 정부 주도하에 탄소중립을 위한 적극적인 움직임을 보이고 있다. 우리나라 정부는 「수소경제 활성화 로드맵(2019)」을 시작으로 수소경제 활성화 방안을 제시하고, 「제 1차 수소경제 이행 기본계획(2021)」을 통해 ‘청정수소경제 선도국가(first mover)’로의 도약을 선언하였다. 여기에는 재생에너지를 활용한 그린 수소생산 기반 구축과 주요 에너지원을 친환경 수소로 전환하는 에너지 패러다임의 변화를 요구하고 있으며 국가 수준에서 청정수소 생산과 수소 산업을 선도하여 국제적인 수소경제 시장에서 선두주자로 나가겠다는 목표 제시와 함께 탄소중립 목표달성의 핵심 수단으로 그린수소 생산을 강조하고 있다.
  그린수소는 전기를 인가하여 물을 분해하는 수전해를 통해 생산된다. 수소는 화석원료로도 생산할 수 있지만 궁극적으로는 버려지는 잉여 재생에너지를 이용하여 수전해를 통해 생산된 그린수소를 주 에너지원으로 전환하는 것이 진정한 의미의 수소경제의 실현이라고 할 수 있다. 암모니아 등의 화석연료 개질 과정을 통해 생산하는 수소를 ‘그레이수소’라고 하며, 그레이수소 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소를 포집, 제거한 수소를 ‘블루수소’라고 하는데, 이들은 여전히 화석연료를 기반으로 생산하기에 환경오염 물질을 배출하는 한계가 있음에도 불구하고 생산비용이 저렴한 이유로 현재 생산 중인 수소의 대부분을 차지하고 있다. 따라서 2050 탄소중립 목표를 달성하기 위해서는 그린수소의 생산량을 증가시켜야 하며, 이를 위한 수전해 기술 확보가 필수적이다. 현재 수전해 기술 개발의 가장 큰 걸림돌은 높은 재생에너지 전기비용과 낮은 기술성숙도로 인한 높은 수소 생산단가이다. 국내 수전해 기술은 선도국에 비해 미비한 실정이며 정부가 제시한 정책적 목표 달성과 선도국과의 기술력 격차를 좁히기 위해서는 국내 수전해 기술동향 및 현주소를 파악하고 나아갈 기술개발 방향성에 대해 심도 있게 살펴볼 필요가 있다.
  전 세계적인 탄소중립과 수소경제 실현은 더 이상 선택의 문제가 아닌 거스를 수 없는 국제사회의 규범이 되었다. 앞서 기술한 바와 같이 그린수소 생산 수전해 기술은 탄소중립을 달성하고 수소경제 실현을 위한 핵심 기술이다. 본 백서에서는 향후 그린수소 생산을 위한 수전해 분야의 기술개발을 통해 대한민국이 청정수소경제 선도국가가 되길 기대한다.
 
2. 본론

2.1. 그린수소 생산 수전해 기술 분류

수전해란, 물에 전기에너지를 가해 수소와 산소로 분해하여 수소를 추출하는 전기화학적 기술을 뜻한다. 수전해는 환원반응에 의한 수소발생 반응(Hydrogen evolution reaction, HER)과 산화반응에 의한 산소발생 반응(Oxygen evolution reaction, OER)로 구성된다. 이 중 산소발생 반응은 4개의 전자가 이동하는 복잡한 반응으로 수소발생 반응보다 느리고 높은 과전압을 요구하기 때문에 전체 수전해 반응의 속도는 산소발생 반응에 의해 결정된다.
  대표적인 수전해 기술에는 알칼라인 수전해(AWE), 양이온교환막 수전해(PEMWE), 음이온교환막 수전해(AEMWE)가 있다 [1]. 이 세 가지의 기술은 사용하는 전해질과 전극막의 종류에 따라 구분되며, 전극 표면에서 수소이온의 흡착 및 결합 반응으로 수소가 생성되는 기술적 개념은 동일하다. 기술개발 단계는 상용기술(AWE, PEMWE)와 차세대기술(AEMWE)로 분류된다.
  AWE는 알칼리성 전해질(KOH)를 이용하여 물을 전기분해하는 기술이다. 가장 일찍 상용화된 기술로 기술 숙련도가 높고 설비 투자 비용이 낮은 장점이 있지만, 고농도 액체 전해질과 두꺼운 분리막 사용으로 인해 시스템 내부의 저항이 높고 효율이 낮다. PEMWE는 양이온교환막(PEM)을 전해질로 사용하는 수전해 방식으로, 얇은 교환막을 사용으로 인해 고밀도 가동, 시스템 소형화 및 스택화가 가능하지만, 산성 분위기에 견딜 수 있는 내부식성이 강한 고가의 귀금속 촉매 사용이 요구되기에 전반적인 시스템 비용이 높은 것이 단점이다. AEMWE는 비귀금속 소재를 적용할 수 있는 알칼라인 수전해 작동환경과 고효율, 고순도 수소 생산이 가능한 양이온교환막 수전해 구조의 장점이 융합된 형태로, 기존의 수전해 기술의 단점을 보완한 차세대 기술이다.
  AEMWE는 고전류밀도 및 고압·고순도 수소생산을 통한 높은 수소 생산 효율을 보이며 비귀금속 촉매 사용으로 인한 낮은 수소생산 및 시스템 단가와 간헐적 구동이 용이하여 분산·보급에 적합하다. 또한, 기체투과성이 낮은 AEM 사용으로 부하변동성이 높은 재생에너지와 연계하여 그린수소 생산에 유리하다. 하지만 AEMWE는 현재 연구개발단계에 있으며 타 수전해 기술들에 비해 기술 숙련도가 낮다. 따라서 고성능 비귀금속 기반의 촉매 개발과 고내구, 고효율의 AEMWE 시스템 개발이 요구된다.

그림  그린수소생산을 위한 저온구동형 수전해 시스템 모식도, AWE(좌), PEMWE(중), AEMWE(우)

2.2. 음이온교환막 수전해 기술 개요

AEMWE는 비귀금속 소재를 적용할 수 있는 알칼라인 수전해(AWE)와 고효율 수소 생산이 가능한 고분자전해질막 수전해(PEMWE)의 장점이 융합된 형태로 저온에서 높은 효율로 수소를 생산할 수 있는 장치이다. 고전류밀도 및 고압·고순도 수소생산을 통한 높은 수소 생산 효율을 나타나며, 비귀금속 촉매 사용으로 인한 낮은 시스템 단가, 간헐적 구동이 용이하여 분산·보급에 적합한 장점이 있으며, 기체투과성이 낮은 AEM 사용으로 부하변동성이 높은 재생에너지와 연계하여 그린수소 생산에 유리하다. AEMWE에서는 수소 및 산소 발생이 일어나는 촉매/전극과 음이온의 이동에 직접 관여하는 이오노머/분리막의 활성과 내구성이 시스템의 수명을 결정하는 핵심 요소기술이라 볼 수 있다. AEMWE는 그림과 같이 크게 수소발생촉매, 산소발생촉매, 이오노머, 분리막, 막전극접합체, 스택, BOP(Balance of Plant)로 구성이 되어 있으며 그 역할은 다음과 같다.

그림  AEMWE 스택의 구조

- 수소발생촉매 : 환원전극(Cathode)에서 물의 환원반응(4H2O + 4e- → 4OH- + 2H2 : 0.4 V
vs. RHE)을 일어나게 하는 촉매. 2전자 반응인 Volmer-Tafel 또는 Volmer-Heyrovsky 반응의 과전압을 줄여 수소발생이 보다 쉽게 일어날 수 있게 하는 소재.
- 산소발생촉매 : 수소전극(Anode)에서 물의 산화반응(4OH- → 2H2O + 4e- + O2 : 0.83 V vs.
RHE)을 일어나게 하는 촉매임. 수소발생과 달리 4전자 반응에 의해 산소가 발생되기 때문에 높은 과전압이 필요하게 되어 수전해 전체의 반응의 속도를 결정하게 됨(율속반응). 
- 이오노머 : 전극층에 사용되는 바인더로서 전극 파우더를 물리적으로 결합시켜 전극층을 형성하게 하고 전극층에서 hydroxyl ion의 이동 채널을 제공함으로서 원활한 전극 반응이 일어나도록 하는 음이온교환형 고분자 바인더.
- 분리막 : 절연체로서 두 전극 사이에서 단락 및 산소와 수소가 섞이는 것을 방지하며, cathode에서 생성된 hydroxyl ion을 선택적으로 anode로 이동시킴으로서 수전해 반응을 완성하게하는 음이온교환형 고체 전해질.
- 막전극접합체 : 분리막과 이를 경계로 양쪽에 산소와 수소를 발생시키는 촉매층이 포함된 전극을 포함하는 수전해 시스템의 핵심 구성부품으로서 제조공정 관점에서 CCM (catalyst coated membrane)과 CCS (catalyst coated substrate)방식으로 구분됨

 2.3. 음이온교환막 수전해 기술 현황

AEMWE는 부하변동성이 높은 재생에너지와 연계하여 고압·고순도의 그린수소를 저가로 생산 가능하기 때문에 탄소중립 목표달성에 적합하며, 그린수소 생산 방식 중 유휴전력을 가장 효율적으로 저장할 수 있는 가장 경제적인 시스템이다. 전이금속 기반 합금이나 산화물 등 비귀금속계 촉매를 활용한 소재 가격의 경쟁력 확보가 가능하고, AEMWE로 생산된 그린수소는 생산 경제성뿐만 아니라 용이한 저장, 운송으로 인해 그린수소 소요처 보급 증대를 통한 수소경제 진입에 크게 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 하지만 비귀금속 촉매 소재의 귀금속 소재 대비 낮은 활성 및 내구성, 상용 음이온교환 소재의 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 가속화와 같은 해결해야 할 이슈들이 있다.

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 12월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>