TIT, 고내구성 음이온 교환막 개발 … 변환효율 80-83% 수준

일본 도쿄공과대학(TIT: Tokyo Institute of Technology) 연구진이 수소 제조코스트를 낮출 수 있는 수전해용 음이온 교환막을 개발했다.
음이온 교환막을 사용하는 고체 알칼리 수전해는 고가의 백금을 사용하지 않아도 되지만 알칼리 환경에서는 쉽게 분해되는 결점이 있다.
연구팀은 음이온 교환막의 분해기능을 분석해 분해가 시작되는 부분을 특정했으며 높은 내구성을 갖추었을 뿐만 아니라 양산이 용이한 음이온 교환막을 개발함으로써 과제를 극복했다.
순수한 물을 사용한 수전해에서 높은 변환효율을 나타내는 것을 확인함에 따라 차세대 수전해 시스템으로 실용화할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
수전해 기술은 현재 프로톤 교환막을 사용한 수소 이온 전도형 고체 고분자 타입이 주류를 이루고 있다.
현행 기술로는 산성 환경 아래 귀금속 이외의 금속은 용해되기 때문에 촉매 뿐만 아니라 분리막, 집전체에도 백금을 사용하고 있으나 백금 등 귀금속의 가격이 MEA(막전극접합체)의 3배에 달할 정도로 높아 상용화를 가로막는 요인으로 작용하고 있다.
반면, 음이온 교환막을 사용하는 고체 알칼리 수전해는 수산화물 이온이 전도되는 형식이어서 대부분 금속을 사용할 수 있어 코스트를 대폭 낮추는데 도움이 될 것으로 기대되고 있다.
기존 방향족계 음이온 교환막은 알칼리 환경에 대한 내구성이 문제였으나 연구팀이 해결했다.
연구팀은 분해구조를 분석해 골격 중 에테르 부위부터 분해된다는 사실을 규명했으며 골격이 벤젠(Benzene) 고리 등 방향족 결합만으로 구성된 전체 방향족형 음이온 교환막을 개발했다. 소재 설계 단계에서 양산이 용이한 C-H 활성화 중합으로 알려진 중합법을 채용했고 분자량이 20만개 이상인 높은 용매에 녹도록 해 성막을 쉽게 만들었다.
연구팀은 개발한 음이온 교환막을 전해질 막과 촉매층 바인더 양쪽에 사용해 MEA를 제작했다.
알칼리 환경에서의 내구성을 조사하기 위해 가성칼륨 수용액을 사용하고 섭씨 80도에서 수전해 성능을 측정한 결과 전류밀도 1평방센티미터당 1.0A 환경에서 80-83%의 높은 변환효율을 나타냈다. 가동시간이 100시간을 넘겨도 전압변화가 거의 없었으며 고온 및 알칼리 환경에서 높은 내구성을 나타낸다는 결과를 얻을 수 있었다.
순수한 물을 사용한 시험에서도 전류밀도 1.0A 조건에서 변환효율 69-76%를 확보해 수전해가 가능한 것을 확인했다.
일반적으로는 알칼리 수전해 이온 전도를 확보하기 위해 가성칼륨 수용액을 사용하고 있으나 가성칼륨 수용액은 사용 후 회수, 리사이클이 요구되고 있어 순수한 물로 대체한다면 수전해 시스템을 더욱 간편하게 만들 수 있을 것으로 기대되고 있다.
연구팀이 개발한 음이온 교환 폴리머는 수산화물 이온 전도성이 높고 가성칼륨 수용액을 사용하지 않아도 촉매층 안에서 수산화물 이온이 고속으로 전도되는 것으로 알려졌다. 80도 환경에서 150시간 이상 안정적으로 가동이 가능하다는 결과도 얻었다.
순수한 물을 사용하고 백금 등을 필요로 하지 않는 고체 알칼리형 수전해 시스템은 수소 제조코스트를 대폭 낮출 수 있을 것으로 기대되고 있다.
연구팀은 재생에너지 베이스 전력을 사용하는 조건으로 출력 변환효율 조건 시험 및 추가적인 내구성 향상 시험을 추진함으로써 차세대 기술의 실용화에 박차를 가할 예정이다. (K)