​- 수전해 분야 유망 기술인 음이온교환막(AEM) 방식 소재의 한계점인 내구성 10배 개선

- 음이온교환막 수전해 분야를 선도 중인 선진국에 이어 국내 기업의 시장 진입 기여 가능

- 재생에너지·환경 분야 국제학술지 Energy & Environmental Science 2024년 4월 말 논문 게재

물 전기분해를 통해 친환경 그린수소를 생산하는 수전해 기술은 한국형 탄소중립 100대 기술 중 하나인 핵심기술이다. 여러 수전해 방식 중 음이온교환막 수전해*(AEMWE; Anion Exchange Membrane Water Electrolysis) 방식은 고순도 수소를 경제적으로 생산할 수 있는 차세대 유망 기술로 떠오르고 있다. 이런 가운데, 국내 연구진이 이 기술의 핵심 소재이자 세계 최고 수준의 성능 및 내구성을 갖는 음이온교환막 소재를 개발하였다. 

* 음이온교환막 수전해: 수산화 이온(OH-)을 전달할 수 있는 고분자 막을 이용해 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 기술

[그림 1] 본 연구의 개념도(HQPC-TMA 음이온교환막 및 이오노머 개발)

한국화학연구원 연구진은 음이온교환막 수전해 셀의 핵심 소재로 전해질막과 이오노머(전극 바인더)로 활용할 수 있는 우수한 성능 및 화학적 안정성을 갖는 음이온교환소재(HQPC-TMA)를 개발했다.

- 논문명(영): High-performance and durable anion-exchange membrane water electrolysers with high-molecular-weight polycarbazole-based anion-conducting polymer

- 논문명(국): 고분자량 폴리카바졸계 음이온교환소재가 도입된 우수한 성능 및 내구성의 음이온교환막 수전해

한국화학연구원(원장 이영국) 이장용·김성준 박사 연구팀은 최근 연구 논문에서 음이온교환막 수전해 장치에 적용 시, 해외 상용 소재 대비 성능 및 내구성이 월등히 향상된 고분자량화 폴리카바졸계 음이온교환 소재 기술을 선보였다. 이 기술은 급격히 커지고 있는 음이온교환막 시장에서 우수 소재에 대한 높은 수요를 충족시킬 뿐 아니라, 국내 산업계의 빠른 상용화와 시장 선점에 기여할 것으로 전망된다.

그린수소 생산 기술 중 음이온교환막 수전해 방식은 기존 기술의 단점을 보완하고 장점을 함께 갖춘 차세대 기술로 주목받고 있다. 이에 따라 핵심 소재인 음이온교환막 관련 시장은 2021년에서 2029년 기간 동안 연평균 성장률(CAGR) 5.2%로 성장하여 2029년에는 시장 규모가 약 10억 1천 7백만 달러에 이를 것으로 예측되고 있다.*

* 출처: ADROIT MARKET RESEARCH(2022.7), 음이온교환막 시장 보고서

www.adroitmarketresearch.com/industry-reports/anion-exchange-membrane-market

[그림 2] 개발 소재 활용 수전해 시스템 모식도

담수 및 해수를 전기 분해하여 그린수소를 생산하는 음이온교환막 수전해 시스템과 연구진이 개발한 음이온교환소재를 함께 표현한 모식도. 재생에너지를 통한 수전해 기술로 친환경 그린수소를 생산하는 것을 도식화하였다.

[그림 3] 수전해 기술 방식별 장단점

기존 알칼라인 수전해 기술은 설비 가격이 낮고 기술적 성숙도가 높아 현재 가장 많이 쓰이고 있으나, 낮은 효율과 함께 저순도 수소를 생산한다는 단점이 있다. 한편, 양이온교환막 수전해 기술은 성능이 우수하고 고순도 수소 생산이 가능하나, 귀금속 촉매를 활용하는 등 핵심 소재가 매우 비싸서 전체 설비 가격이 높다는 단점이 있다.

이에 반해 음이온교환막 수전해 기술은 저렴한 촉매 소재를 활용하면서도 높은 효율로 고순도 수소 생산이 가능하여 기존 기술의 장점을 모두 갖춘 차세대 수전해 기술이다. 그러나 전해질막 및 이오노머(전극 바인더)로 활용되는 음이온교환 소재의 낮은 성능 및 내구성이 상용화에 걸림돌이었다.

최근에는 미국, 캐나다, 독일 등 기술 선진국을 중심으로 우수한 음이온교환소재가 개발되어 상용화되고 있다. 국내 기업에서도 상용화에 힘쓰고 있으나, 핵심 부품인 교환막과 전극을 만드는 소재 대부분을 해외에서 수입하고 있어 국산화가 절실하다.

[그림 3] 개발 소재(HQPC-TMA)로 만든 수전해 셀의 성능 및 내구성 평가 결과

연구팀이 개발한 음이온교환소재(HQPC-TMA)를 음이온교환막과 이오노머로 도입한 수전해 셀은 해외 상용 소재(PiperION) 기반의 수전해 셀과 비교하여 동일 조건에서 약 80% 향상된 우수한 성능을 나타내었다. 또한, 개발 소재 기반의 음이온교환막과 고내구성 비귀금속 전극을 결합한 수전해 셀의 경우 1,000시간 동안의 내구성 평가 후에도 거의 성능의 변화가 없었으며, 열화속도는 6μV/h로서 동일 조건에서 기존 보고된 가장 낮은 결과와 비교하여 약 1/10의 매우 낮은 열화속도를 보였다.

이에 연구진은 튼튼하고 분자구조 조절이 용이한 폴리카바졸(PC, Polycarbazole)*계 소재를 설계, 분자량을 높이는 기술을 적용하여 수소 생산 성능과 내구성을 높인 이온교환소재(HQPC-TMA)를 개발했다. 이 소재로 만든 음이온교환막 및 셀은 기존 상용화된 소재보다 10배 우수한 내구성과 20% 이상 높은 이온 전도 성능(이온전도도) 등 세계 최고의 성능을 나타냈다.

* 폴리카바졸(PC, Polycarbazole): 독특한 전기발광 특성 및 화학적 안정성으로 주로 유기 발광 다이오드(OLED), 유기 태양전지 등 유기 전자 소자뿐 아니라, 이온교환소재 등에도 활용됨

[그림 4] 개발 음이온교환소재(HQPC-TMA) 및 음이온교환막

이장용 박사 연구팀에서 개발한 음이온교환소재(HQPC-TMA) 및 이를 이용해 제조한 고품위 전해질막

이장용 박사팀은 2020년에 이미 우수한 음이온 전도 성능 및 화학적 안정성을 갖는 폴리카바졸 기반의 음이온교환소재(QPC-TMA)를 개발한 바 있다. 이번에 개발한 소재(HQPC-TMA)는 이전 소재에 사슬 연장기(chain extender)를 도입하여 분자량을 더욱 증대시키고, 정제 과정을 추가해 저분자량 물질은 효과적으로 제거함으로써, 성능과 내구성 모두 개선시킨 소재이다.

실험 결과, 개발 소재(HQPC-TMA)는 80℃의 고농도 알칼리 용액(3M KOH 수용액)에서 2,500시간 경과 후에도 이온전도도가 거의 100% 유지될 정도로 매우 높은 화학적 안정성을 보였다. 이는 상대적으로 온화한 일반 평가 조건(80℃, 1M KOH 수용액에서 1,000~3,000시간 평가)에서 초기 음이온전도도 대비 97%~60%의 이온전도도 보존율을 보인 기존 소재들에 비해 우수한 결과이다.

또한, 개발 소재(HQPC-TMA)를 음이온교환막으로 활용, 비귀금속 전극과 결합한 수전해 셀을 제작하여 1,000시간 동안 가속 평가(60℃, 1.0A/㎠)하였을 때에도 동일 조건에서 기존에 보고된 가장 낮은 수전해 셀 열화 속도 대비 약 10배 느린 성능 감소 수치를 보여 개발 소재의 내구성이 매우 우수함을 다시 확인했다.

이번 개발 소재(HQPC-TMA)를 활용한 수전해 셀은 기존 해외 우수 소재보다 월등한 수소 생산 성능을 보였다. 특히 동일 조건에서 현재까지 보고된 성능 중 가장 우수한 14.6A/㎠의 성능을 보여, 동일 에너지에서 수소를 더 생산할 수 있는 높은 효율성을 보여줬다.

* 2V 전압에서 전류 밀도: (기존 소재) 8A/㎠∼12A/㎠, (개발 소재) 14.6A/㎠

[그림 5] 개발 소재 및 수전해 셀

이장용 박사 연구팀에서 개발한 음이온교환소재(HQPC-TMA) 및 이를 이용해 제조한 수전해 핵심 소재 (하단 우측부터 음이온교환막, 전극, 막전극접합체) 및 셀

[그림 6] 음이온교환막 수전해 평가 장치 및 수전해 셀

실험에 사용한 전기화학 평가 장치, 수전해 셀의 양극으로 담수 및 해수 전해액이 공급되며 전기에너지를 주어 수소를 생산한다. 수전해 셀의 앞쪽에 놓인 물품들은 개발된 음이온교환소재(HQPC-TMA)를 활용하여 제작된 수전해 셀의 핵심 소재(전극 및 전해질막)

HQPC-TMA로 만든 수전해 셀은 알칼리수가 아닌 중성수를 적용한 경우에도 상용 소재 대비 2배 이상의 성능을 보였고, 알칼리 해수를 활용한 경우에도 세계 최고 수준의 매우 우수한 셀 성능을 보였다. 현재 상용 소재의 경우 일반적으로 쓰이는 알칼리수 외에는 매우 낮은 성능을 보이는데, 앞으로 연구가 필요한 민물이나 바닷물을 활용한 수전해 구동에 실마리가 될 것으로 보인다.

연구팀은 현재 후속 연구로서 규모를 키우는 대용량 합성 연구와 대면적 강화막 제조 연구를 준비하고 있다. 해당 기술은 전기화학적 CO₂ 전환 장치 또는 연료전지에도 활용될 수 있어 다양한 분야에서 상용화가 기대된다.

[그림 7] HQPC-TMA 소재 개발 연구팀

음이온교환소재(HQPC-TMA)를 개발한 한국화학연구원 이장용 박사(좌측) 연구진. 좌측부터 이장용 박사, 김성준 박사, 양석환 박사과정

[그림 8] 연구자 사진

왼쪽부터 한국화학연구원 이장용 박사, 김성준 박사, 양석환 박사과정

화학연 이영국 원장은 “음이온교환막 수전해 기술이 상용화까지 이어져 핵심 소재 국산화 및 수소 경제 달성에 이바지하고, 우리나라 기업의 글로벌 시장 진입을 통해 신규 일자리 창출에도 기여할 것으로 생각한다”라고 말했다. 

이번 연구 결과는 에너지 과학기술 분야 국제학술지 ‘에너지 앤드 인바이런멘털 사이언스(Energy&Environmental Science(IF : 32.5))’에 2024년 4월 30일 자로 온라인 공개되었다. 

한편 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 ‘유용물질 생산을 위한 Carbon to X 기술개발사업’, 산업통상자원부 ‘소재부품기술개발사업’의 지원을 받아 수행됐다.