[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

신재생에너지 기반 수전해 공정은 지구온난화문제를 해결하고 화석연료의 시대에서 새로운 수소경제 시대를 이끌 그린수소를 생산하는 중요한 공정이다. 수소는 미래의 에너지 운반체로 사용 시 탄소배출이 없고 높은 중량에너지6)(142 MJ/kg, 25℃)를 가진다는 장점이 있다. 그러나, 현재 생산되는 수소의 90% 이상은 탄소배출이 존재하는 화석연료 기반 메테인 개질방법7)을 통해 생산된다. 이는 수전해를 통해 생산된 그린수소의 가격경쟁력이 떨어지기 때문이다.

현재까지 수소가격을 낮추기 위해 다양한 수전해 기술이 개발되어왔다. 상용화된 기술인 알칼라인 수전해는 낮은 생산성 및 반응성의 문제를 가지고 있으며, 양이온 교환막 수전해는 강한 부식성 환경으로 내식성이 강한 귀금속 사용이 불가피하기 때문에 스택비용8)이 비싸 수소가격을 낮추는데 한계가 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 음이온 교환막 수전해 기술이 개발되었으며, 비귀금속 사용으로 스택비용이 낮지만 양이온 교환막 수전해에 비해 성능 및 수명이 낮다. 따라서, 음이온 교환막 수전해 시스템의 성능 및 내구성 향상이 필요하다.

고분자 분리막을 활용하는 수전해조에서 수전해 반응은 막전극접합체 내에서 일어나기 때문에 성능 및 내구성은 막전극접합체의 구조 및 특성에 의존한다. 일반적으로 막전극접합체는 분말(powder) 타입의 촉매를 바인더(binder)인 이오노머(ionomer)와 특정 용매에 분산시켜 잉크(ink)를 제조한 후 다양한 코팅 기술을 활용하여 증착하게 되는데, 전도성을 지닌 가스확산층(GDL; gas diffusion layer)9)에 코팅하는 CCS(catalyst coated substrate)10), 음이온교환막에 코팅하는 CCM(catalyst coated membrane)11) 방법이 대표적이다.

상기 방법에 사용되는 이오노머는 촉매를 특정 지지체에 고정시키고, 전기화학 반응을 위한 이온 이동의 통로를 제공하지만, 촉매 활성 표면의 노출을 방해하거나 수전해 반응 시 생산되는 수소 가스 혹은 산소 가스 방출을 막아 수전해 장치의 성능을 저하시킨다. 게다가, 산업에서 요구하는 높은 전류밀도에서는 이오노머의 탈착으로 인해 촉매층이 손상되어 장기안정성 확보에 어려움이 있다. 뿐만 아니라, 산소발생반응 중 이오노머가 산화되어 촉매 표면의 국부적 pH를 낮추어 촉매의 열화를 촉진시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 이오노머를 사용하지 않고 전극 지지체에 촉매를 직접 성장시키는 촉매-지지체 또는 촉매-막 일체형 전극이 개발되고 있다.

대표적인 촉매-지지체 일체형 전극은 수열합성, 전기도금, 화학적 증착법 등 다양한 방법을 통해서 전극 지지체에 촉매를 성장시킨다. 이는 촉매층과 전극 지지체 간의 계면저항을 최소화하여 전자 전달이 빠르고 안정성이 개선되는 장점이 있다. 또한 이오노머를 사용하지 않기 때문에 이오노머에서 유래되는 문제점들을 피할 수 있다. 하지만, 이를 이용해 제조된 막전극접합체는 음이온 교환막과 촉매층 사이의 계면 저항이 여전히 높을 뿐만 아니라 높은 전류밀도에서는 전극 지지체 내부에서 촉매가 탈착되는 현상이 발생한다. 이를 개선하기 위해서는 이오노머 없이 음이온 교환막과 지지체 사이에 촉매층을 형성하는 기술 개발이 필요하다. 하지만 촉매-지지체 일체형 전극을 제조하는데 사용하는 일반적인 합성법들을 기계적, 열적, 화학적 특성이 약한 음이온 교환막에 직접 적용하는 것은 불가능에 가깝다. 따라서 새로운 촉매층 형성 방법 및 막전극접합체 제조기술 개발이 필요하다.

2. 연구내용

연구팀은 화학적 환원반응을 통해 이오노머 없이 음이온교환막과 지지체 사이에 촉매층을 직접 성장시켜 막전극접합체를 제조하는 일체형 전극 제조기술을 개발했다. 음이온 교환막과 지지체를 체결한 후 환원제인 BH4- 이온을 음이온교환막을 통해 통과시켜 촉매 전구체를 환원시켜 촉매층을 성장시키는 방법이다. 이는 상온 상압에서 촉매층을 합성하기 때문의 약한 음이온 교환막을 손상시키지 않는다. 지지체와 음이온 교환막 사이에 직접 성장한 촉매층은 막전극접합체 내부의 계면 특성을 개선시켜 전체 셀 저항을 낮추어 성능 개선에 기여하였다. 개발된 기술을 적용하여 조립한 음이온 교환막 전해조의 셀저항은 0.017 Ω으로 기존의 방법으로 제조된 막전극접합체의 셀저항인 0.033 Ω의 약 두 배 정도 감소하였음을 관측했다. 또한 섭씨 50 도, 알칼라인 (1 M KOH) 환경에서 전체 셀 전압 1.79 V에서 전류밀도 1 A/cm2를 나타내어 우수한 성능을 보였다. 또한, 400 시간 이상의 장기안정성 테스트에서는 낮은(0.07 mV/h) 열화 속도를 관측하였다.

3. 기대효과

본 연구에서 개발된 새로운 촉매층 형성 방법 및 막전극접합체 제조 기술은 전해조의 성능을 개선 시킬 뿐만 아니라 이오노머를 사용하지 않는다는 측면에서 장기 안정성까지 개선시킨다는 장점을 가지고 있다. 또한, 촉매층을 형성시킴과 동시에 막전극접합체를 제조하는 기술이기 때문에 별도의 촉매 합성공정이 필요없으며 상온 상압에서 제조 가능하기 때문에 공정시간 및 투입 에너지 측면에서 상당한 장점을 가지고 있다. 본 연구결과를 기반으로 값싼 그린 수소 생산을 위한 수전해 시스템이 구축될 것을 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 음이온 교환막 수전해 시스템 (Anion Exchange Membrane Water Electrolyzer)

음이온만을 선택적으로 이동시킬 수 있는 음이온 교환막을 전해질로 사용하여 음극과 양극을 이용해 수소를 생산하는 시스템

2. 알칼라인 수전해 시스템 (Alkaline Water Electrolyzer)

고농도 알칼리 용액을 전해질로 사용하여 음극과 양극을 이용해 수소를 생산하는 시스템

3. 양이온 교환막 수전해 시스템 (Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer)

양성자만을 선택적으로 이동시킬 수 있는 음이온 교환막을 전해질로 사용하여 음극과 양극을 이용해 수소를 생산하는 시스템

4. 막전극접합체 (Membrane Electrode Assembly)

이온 교환막을 가운데 두고 양쪽에 음극, 양극을 위치시켜 압착 해놓은 형태

5. 이오노머 (Ionomer)

이온 전도성이 있은 고분자

6. 중량에너지 (Gravimetric Energy)

질량당 저장할 수 있는 에너지

7. 메테인 개질 방법 (Steam Methane Reforming Method)

합성가스를 생산하는 방법으로 탄화수소와 수증기를 이용한 화학 반응으로 일산화탄소와 수소를 생산하는 방법

8. 스택비용 (Stack Cost)

수전해 셀을 구성하는 구성품의 전체적인 비용

9. 가스확산층 (Gas Diffusion Layer)

다공성 물질로 반응에 필요한 반응물(액체, 기체 등)과 생성물(액체, 기체 등)의 이동을 원활하게 해주는 추가적인 층

10. Catalyst Coated Substrate

일반적으로 막전극접합체를 제조하는 방법으로 촉매층을 전도성 있는 다공성 지지체에 촉매를 도포한 후 이온교환막을 이용하여 막전극접합체를 만드는 공정

11. Catalyst Coated Membrane

일반적으로 막전극접합체를 제조하는 방법으로 촉매층을 이온 교환막에 도포한 후 전도성 있는 다공성 지지체를 이용하여 막전극접합체를 만드는 공정

[붙임] 그림설명

그림1. 본 연구 요약도

그림2. 전기화학적 음이온 교환막 수전해 시스템 성능 및 안정성 평가 (50℃, 1 M KOH)

그림3. 논문 표지 그림