버려지는 물로 수소를 생산한다!

- 폐알칼리 기반 음이온 교환막 수전해 기술 개발

한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환/ 이하 재료연) 그린수소재료연구실의 양주찬, 최승목 박사 연구팀이 고성능 비귀금속 촉매/전극 소재를 개발하고, 이를 폐알칼리 수전해 시스템에 적용해 비귀금속을 기반으로 한 폐알칼리 음이온 교환막 수전해 기술을 국내 최초로 개발하는 데 성공했다고 지난달 5일 밝혔다.
  음이온 교환막 수전해는 기존의 알칼라인 수전해 기술이 가진 비귀금속 기반 전극 사용의 장점과 양이온 교환막 수전해 기술의 작동 용이성과 단순성이 결합한 이상적인 기술이다. 그린수소 생산의 경제성 향상과 더불어 고순도의 수소를 얻을 수 있는 차세대 수전해 시스템이라 할 수 있다.
  그린수소 생산 방식인 수전해 연구는 지금까지 정제수(깨끗한 물) 기반의 전해질을 사용해왔다. 수전해를 통해 수소 1톤을 생산하기 위해서는 평균 약 9톤의 정제수가 필요하며, 9톤의 정제수를 얻기 위해서는 약 2배가량의 물이 요구된다. 이처럼 그린수소 생산에는 전기분해에 필요한 전력 외에도 막대한 양의 물이 요구되기 때문에, 사용되는 물과 관련한 비용 또한 가격경쟁력을 결정하는 중요한 요소가 된다.
  폐알칼리는 페하(pH) 12.5 이상의 강알칼리성 폐기물로 정의되며, 반도체 수요 폭증과 전자산업의 발전 등으로 배출량이 매년 증가하는 추세이다. 연구팀은 폐알칼리를 직접 전해질로 사용한 수전해 핵심 원천 소재 및 부품을 상용 시스템에 모사한 단위셀에 적용했다.
  우선 비귀금속 촉매의 활성과 내구성을 동시에 확보하고자 고전도 탄소층을 촉매 표면에 균일하게 코팅한 복합촉매를 개발했다. 해당 촉매는 전극화 공정에도 높은 균일성을 보였으며, 음이온 교환막 수전해 단위셀 평가에서도 기존 전극 대비 약 2.8배 우수한 활성과 높은 고내구성을 나타냈다. 연구팀은 본 기술을 폐알칼리 전해질 기반 수전해 단위셀에 적용해 1,420mA/㎠(비귀금속 적용, 2V 기준)의 높은 전류밀도를 달성했고, 수소를 원활하게 생산할 수 있는 전류밀도에서도 향상된 내구성을 보이는 걸 확인했다. 이 결과, 폐알칼리 속에 존재하는 금속 이온의 분석을 통해 증가한 전해질 이온전도도가 수전해 성능을 향상시켰음을 밝혀냈다.
  연구책임자인 재료연 양주찬 선임연구원은 “폐알칼리 전해질을 사용해 재활용 및 처리는 물론, 고농도의 순수 알칼리염 전해질 사용 비용을 획기적으로 절감할 수 있다”고 말했다. 과제책임자인 최승목 책임연구원(그린수소재료연구실장)은 “본 기술이 상용화되면 기존의 알칼리 기반 수전해 시스템에 즉각적인 활용이 가능해 양산화와 수소 생산시장 진입이 가능할 것”이라고 말했다.
  이번 연구성과는 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국재료연구원 주요사업(과제명: 그린수소 생산을 위한 AEM 수전해용 고내구 전극 및 평가 기술 개발)과 산업통상자원부 소재부품기술개발사업(과제명: 수소생산을 위한 2.5kW급 폐알칼리 AEM 수전해용 고성능 촉매 전극 및 부품화 기술 개발)을 통해 수행됐다. 또한 연구결과는 재료에너지 분야 저명 국제학술지인 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A)에 11월 10일자로 게재됐다.
  현재 연구팀은 대면적 균일 전극화를 통한 폐알칼리 수전해 스택 시스템 적용 및 상용화를 위한 후속 연구를 진행 중이다.

<그림 1> 개발된 촉매/전극을 적용한 폐알칼리 수전해 특성평가 결과

-----이하 생략

<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 1월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>