KIST(한국과학기술연구원·원장 윤석진)는 이소정 수소·연료전지연구센터 박사팀과 이영무 한양대 교수팀이 음이온교환막 수전해용 막전극 접합체를 개발했다고 30일 밝혔다. 이 기술은 고가의 양이온교환막 수전해 기술을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.

수소는 화석연료를 대체하는 대표적인 청정에너지원으로 주목받지만 온실가스를 배출하지 않는 그린 수소를 생산하는 수전해 기술은 일부 선진국만 핵심 기술을 갖는다. 핵심 기술 중 이온교환막 수전해 기술은 고가의 귀금속계 촉매 및 과불화탄소계 양이온 교환막을 사용해 시스템 제조비용이 높다는 단점이 있다.

문제 해결을 위해 음이온교환막 수전해는 비귀금속 촉매를 사용하고, 수전해 셀을 구성하는 분리판 소재 등을 티타늄이 아닌 철(Steel) 소재로 대체했다. 하지만 그동안은 양이온교환막 수전해 대비 성능이 낮고, 운전 시간이 100시간이 채 되지 않는 내구성 문제가 있어 상업적으로 활용되지 못하고 있었다.

연구진은 구조 내의 비표면적을 증대시켜 높은 이온 전도성과 알칼리 내구성을 갖는 플루오렌-피페리디늄계 음이온교환 소재(전해질막과 전극바인더)를 개발하고, 이를 기반으로 막전극접합체를 개발했다. 

연구팀에 따르면 개발한 소재는 1000시간 이상의 뛰어난 내구성을 갖고, 세계 최고의 전지 성능인 7.68A/㎠를 보였다. 이는 기존의 음이온교환 소재 대비는 약 6배, 고가의 상용 양이온교환막 수전해 기술(6A/㎠) 대비 약 1.2배의 성능이다.

이소영 박사는 "기존 수전해 기술의 한계를 뛰어넘는 원천소재 및 고효율화 기술을 개발했다. 그린 수소 생산비용을 획기적으로 낮출 수 있는 수전해 기술 세대교체의 발판을 마련한 것"이라고 말했다.

이영무 교수는 "개발된 소재는 수전해 뿐 아니라, 수소연료전지, 차세대 수소산업인 이산화탄소 자원화 및 직접 암모니아 연료전지의 핵심 소재로 응용 가능성이 높다"고 덧붙였다. 

이번 연구 결과는 'Energy & Environmental Science' 최신호에 게재됐다.