수소 만드는 부품이 1000시간 써도 끄떡없다

화학연구원, 음이온교환막 소재 개발
알칼리수는 물론 중성수에서 성능 우수
수소생산 성능도 기존 소재보다 향상돼

화학연구원 이장용 박사팀에서 개발한 음이온교환소재(HQPC-TMA) 및 이를 이용해 제조한 고품위 전해질막. 화학연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국화학연구원 이장용·김성준 박사팀이 물에서 수소를 뽑아낼때 1000시간 이상 사용해도 끄덕없는 음이온교환막 소재를 개발했다. 이는 기존의 소재보다 내구성이 10배 이상 향상된 것이다.

개발 소재로 만든 수전해 셀은 알칼리수가 아닌 중성수를 적용한 경우에도 상용 소재 대비 2배 이상 성능이 향상됐다. 알칼리 해수를 활용한 경우에도 세계 최고 수준의 셀 성능을 보였다. 현재 상용 소재의 경우, 일반적으로 쓰이는 알칼리수 외에는 매우 낮은 성능을 보이고 있지만, 앞으로 연구가 필요한 민물이나 바닷물을 활용한 수전해 구동에 실마리가 될 것으로 보인다.

3일 화학연구원에 따르면, 연구진이 이번에 개발한 소재를 실험한 결과 성능과 내구성 모두 개선됐다.

특히 80도의 고농도 알칼리 용액에서 2500시간 경과 후에도 이온전도도가 거의 100% 유지될 정도로 매우 높은 화학적 안정성을 가졌다. 기존 소재들은 이보다 낮은 농도의 알칼리 용액으로 1000~3000시간 동안 초기 성능대비 97% ~ 60%에 불과했다.

또한, 연구진은 이 소재를 음이온교환막으로 활용해 비귀금속 전극과 결합한 수전해 셀을 만들었다. 이 셀을 1000시간 동안 가속 테스트한 결과, 성능이 떨어지는 속도가 약 10분의 1로 감소해 내구성이 뛰어나다는 것을 확인했다.

화학연구원 이장용 박사팀에서 개발한 음이온교환소재(HQPC-TMA) 및 이를 이용해 제조한 수전해 핵심 소재 (하단 우측부터 음이온교환막, 전극, 막전극접합체) 및 셀. 화학연구원 제공

이와함께 수전해 셀에 이번에 개발한 소재와 해외 소재를 비교한 결과, 수소 생산 성능이 향상됐다. 연구진이 개발한 소재는 2V 전압에서 14.6A/㎠의 성능을 보인 반면, 해외 소재는 8∼12A/㎠에 그쳤다.

연구진이 개발한 소재는 튼튼하고 분자구조 조절이 용이한 폴리카바졸(PC)계 소재를 설계, 분자량을 높이는 기술을 적용하여 수소 생산 성능과 내구성을 높인 것이다.

이장용 박사팀은 지난 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 연장기를 도입해 분자량을 더욱 증대시키고, 정제 과정을 추가해 저분자량 물질은 효과적으로 제거함으로써, 성능과 내구성 모두 개선시켰다.

연구진은 이번에 개발한 소재를 더 크게 만드는 연구를 진행할 계획이다. 대용량 합성 연구와 대면적 강화막 제조 연구를 준비하고 있다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 소재를 에너지 과학기술 분야 국제학술지 '에너지 앤드 인바이런멘털 사이언스(Energy & Environmental Science)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자