기술과 솔루션
화학연, 차세대 연료전지 ‘음이온 교환막 연료전지’ 핵심소재 국산화
작성자 : 편집부
2019-08-05 |
조회 : 2092
- 최근 기술 선진국 각축장 … 국내 상용기술 전무한 상황서 국산화 성공
- 한국화학연구원 이장용 박사팀, ㈜SDB에 기술 이전 … 하반기 상용제품 출시 계획
최근 일본의 수출규제에 직면해 핵심소재 국산화에 대한 목소리가 커지고 있는 가운데, 국내 연구진이 차세대 연료전지로 불리는 ‘음이온 교환막 연료전지’의 핵심소재를 국산화하는 데 성공했다.
음이온 교환막 연료전지는 기존 양이온 교환막 연료전지에 비해 제조비용을 크게 낮출 수 있어 차세대 연료전지로 각광받고 있다. 최근 시장을 선점하기 위한 기술 선진국의 움직임도 빨라지고 있다. 하지만 국내에서는 관련 상용기술을 보유한 기업이 전무한 상황이다.
이러한 상황에서 음이온 교환막 연료전지의 핵심소재를 개발한 연구진은 국내 기업에 관련 기술을 이전하고, 올해 하반기 상용제품으로 출시한다는 계획이다.
한국화학연구원 화학소재연구본부 이장용 박사팀은 차세대 연료전지 ‘음이온 교환막 연료전지’에 쓰이는 음이온 교환 소재(바인더 및 분리막)의 제조 기술을 개발해, 국내 기업인 ㈜SDB(대표 김호선)에 이전했다.
이번에 개발된 음이온 교환 소재는 음이온 교환막 연료전지(AEMFC)에 쓰는 전극 바인더와 분리막이다. 연료전지에서 바인더는 분말 가루 형태의 전극을 단단히 결합시키고, 전극 층 내부에서 이온이 이동할 수 있는 채널을 형성하며, 분리막(이온교환막)은 고체 전해질로 양극에서 음극으로 음이온(수산화이온)을 선택적으로 이동시키는 채널 역할을 한다.
한국화학연구원 개발 음이온 교환형 바인더(위) 및 분리막(아래) 사진
한국화학연구원 개발 음이온 교환 소재 적용 예시
현재 산업계에서는 양이온 교환막 연료전지(PEMFC)가 성능과 내구성이 우수해 많이 쓰이지만, 촉매로 값비싼 백금을 사용하다 보니 가격이 고가인 게 흠이었다. 실제 백금 촉매가 양이온 교환막 연료전지에서 차지하는 비중은 60%에 달한다.
이에 반해 음이온 교환막 연료전지(AEMFC)는 니켈과 구리 등 비 귀금속계 촉매를 사용해 제조비용을 크게 낮출 수 있고, 관련 기술은 연료전지뿐만 아니라 수처리, ED(Electro Dialysis․전기투석) 시스템에도 활용될 수 있어 산업계의 관심이 높다. 하지만 핵심소재인 음이온 교환 소재(바인더 및 분리막)의 성능과 내구성이 떨어지는 게 문제였다.
한국화학연구원 연구진은 기존 상용 음이온 교환소재의 성능과 내구성을 한층 개선했다. 상분리* 특성이 우수해 동일한 이온교환 능(이온 교환 반응을 할 수 있는 능력)을 갖는 상용 바인더와 비교해 이온전도도가 3배 이상 향상됐고, 화학적 안정성이 높아졌다.
* 상분리(相分離): 이온의 이동 채널인 친수성 부분과 고분자의 소수성 부분의 뚜렷한 분리 현상
하지만 양이온 교환 소재를 완전히 대체할 수 있는 수준은 아니다. 성능은 양이온 교환소재와 동등하지만, 내구성이 양이온 교환 소재에 미치지 못하기 때문이다. 이점은 연구진에게 여전히 풀어야 할 숙제다.
이에 따라 신규 음이온 교환막 연료전지는 당장 자동차나 건물용 연료전지를 대체하기보다 상대적으로 이용 빈도가 낮아 높은 내구성을 요구하지 않는 UPS(무정전 전원 공급장치; Un-interrupted Power System)에 적용할 수 있을 것으로 보인다.
현재 음이온 교환 소재 시장은 기술 선진국의 각축장이다. 기존 생산국인 독일과 일본 이외에도 미국과 캐나다까지 제품 개발에 뛰어들었다. 최근 미국과 캐나다는 관련 소재 생산기업을 설립하고, 신규 제품도 발표했다. 하지만 한국은 독일 푸마테크와 일본 도쿠야마 등으로부터 음이온 교환 소재를 100% 전량 수입하고 있는 형편이다. 국내에는 관련 상용기술을 보유한 기업도 없다.
또한, 음이온 교환 소재는 연료전지 이외에도 수전해, 레독스 흐름 전지, 전기화학적 이산화탄소 전환기술 등에 활용될 수 있어 파급효과가 크다. 다시 말해, 수입대체 효과뿐만 아니라 관련 시장 확대도 기대되는 것이다.
에너지 조사기관 ‘네비건트 리서치’에 따르면, 전 세계 이온교환막 연료전지 시장규모는 2024년 15조 원에 달할 것으로 예상되며, 이온교환 소재(바인더 및 분리막) 시장은 전체의 10%인 1.5조 원 정도로 예상된다.
연구책임자인 이장용 박사는 “연료전지의 소재 시장이 전체의 10%나 되는 것은 엄청 큰 규모”라면서, “이번 기술 이전을 계기로 ㈜SDB와 함께 산업적 파급효과가 큰 음이온 교환 소재를 상용화시키고, 가격을 낮추기 위한 원천기술 연구개발에 힘을 쏟겠다”고 포부를 밝혔다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업의 결과로 이뤄졌다.
