• 페이스북
  • 트위터
  • 유튜브

화학연구원, 친환경 수소 생산용 고성능 전해질막 개발

등록 2023.02.01 17:09:06

  • 이메일 보내기
  • 프린터
  • PDF

강원대와 공동연구, 가지사슬 구조 전해질막 확보…80% 성능 향상

수소 이온 높은 전도도와 수소 기체의 낮은 투과율 확보

[대전=뉴시스] 가지사슬 구조 전해질막의 우수성. 화학연 공동연구팀이 개발한 전해질막(오른쪽)은 기존 상용막(왼쪽)과 비교해 80℃에서 1.6배 이상 향상된 수소 이온 전도도와 3분의 1 수준의 낮은 수소 기체 투과율을 보인다. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 가지사슬 구조 전해질막의 우수성. 화학연 공동연구팀이 개발한 전해질막(오른쪽)은 기존 상용막(왼쪽)과 비교해 80℃에서 1.6배 이상 향상된 수소 이온 전도도와 3분의 1 수준의 낮은 수소 기체 투과율을 보인다. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 물 전기분해를 통해 친환경 수소를 생산하는 수전해 장치의 핵심 소재를 개발했다. 이 기술은 기존 대비 수전해 성능이 80% 이상 향상된 고성능 전해질막이다.

한국화학연구원은 김태호·안수민 박사와 강원대학교 조용훈 교수 공동 연구팀이 양이온 교환막 수전해 장치에서 수소 이온은 원활히 이동하면서 수소 기체의 투과는 억제할 수 있는 가지사슬 구조의 새로운 전해질막 소재를 개발했다고 1일 밝혔다.

양이온 교환막 수전해는 수소 이온을 전달할 수 있는 고분자막을 이용해 물을 전기분해해 수소를 생산하는 기술이고 가지사슬 구조는 주사슬에 하나 이상의 블록이 곁사슬로 도입된 고분자 구조다.

현재 글로벌 수소 생산량의 99%는 화석연료에서 추출되고 있어 이산화탄소가 함께 배출돼 탄소중립 달성을 위해선 탄소 배출이 없는 그린수소 생산 기술로의 전환이 필수적이다.

물에서 수소를 대량 생산하고 태양광, 풍력 등의 재생전력을 활용해 수소 생산 전 과정이 친환경적인 수전해 방식이 가장 이상적인 모델로 꼽힌다.

수전해 방식의 수소 생산효율은 높이면서 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 커져 화재나 폭발 발생 가능성이 증가한다. 따라서 발전량 변동과 무관한 낮은 투과율의 전해질막 개발이 반드시 필요하다.

이번에 화학연과 강원대 공동 연구팀은 튼튼한 엔지니어링 고분자 기반의 화학구조를 가지면서 수소 이온을 전달하는 기능이 부여된 가지사슬을 도입했다.

연구팀은 "수소 이온을 전달하는 부분과 막의 강도를 유지하는 부분이 나노미터 크기로 분리된 구조를 가지도록 설계해 수소 이온이 원활하게 이동(높은 전도도)할 수 있으면서도 수소 기체의 투과는 억제(낮은 투과율)할 수 있는 새로운 전해질막 개발에 성공했다"고 설명했다.

연구팀이 개발한 전해질막은 기존 상용막과 비교해 80도에서 1.6배 이상 향상된 수소 이온 전도도와 기존 대비 약 3분의 1 수준의 낮은 수소 기체 투과율을 나타냈다.

특히 수전해 장치에 적용한 결과 1.9V에서 약 6,000㎃/㎠의 전류밀도가 입증됐다. 이는 동일한 조건에서 기존 상용막을 적용한 결과 대비 80% 이상 증가된 수치이다.

이번에 개발된 전해질막은 불소계 화합물을 사용하지 않아 제조와 폐기 시 환경문제 발생을 줄일 수 있고 가격이 상대적으로 저렴해 수전해 장치의 설치 및 운전비용을 낮춰 그린수소 생산단가를 크게 절감할할 수 있을 것으로 기대된다.

연구 결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’(IF: 23.991) 2022년 12월호 표지 논문으로 게재됐다.(논문명:Highly Sulfonated Aromatic Graft Polymer with Very High Proton Conductivity and Low Hydrogen Permeability for Water Electrolysis)

화학연구원 이미혜 원장은 "이번 성과는 상용 수전해 전해질막이 갖는 성능과 안전성 한계를 뛰어넘을 수 있는 원천 소재 기술"이라며 "100% 수입에 의존하고 있는 기존 고가 제품을 대체할 수 있는 국산화 소재기술이 될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]

많이 본 기사