KAIST, KIST와 초고효율 수소 생산에 성공

[요약]

- 수소는 자연 상태에서 대부분 여러 가지 원소와 결합한 화합물 형태로 존재하기 때문에, 에너지원으로 만들기 위해서는 별도의 생산 과정이 필요
  - 석유화학 공정이나 철강 등을 만드는 과정에서 부수적으로 발생하는 ‘부생수소’, 천연가스를 고온 및 고압에서 분해해 생성하는 ‘개질수소’, 물을 전기분해해 수소를 만드는 ‘수전해’가 수소를 생산하는 대표적인 방식
  - 수전해(水電解)는 태양, 풍력 에너지 등 재생에너지를 통해 물을 전기분해하여 고순도(99.999%)의 그린수소 추출이 가능

- ‘물을 전기분해한다’는 기술적 개념은 동일하지만 수전해는 어떤 전해질을 사용하는지, 어떤 이온이 이동하는지에 따라 PEM, AEC, AEM, SOECs 등 여러 가지 방법으로 분류
  - 고분자 전해질막 수전해(PEMWE)는 고분자 전해질막을 전해질로 이용하는 방식으로, 펌프를 이용하여 물을 양극(anode)으로 보내고, 여기에서 물이 산소(O2), 양성자(H+) 및 전자(e-)로 분리
  - 알카라인 수전해(AECWE)는 알카리 전해액을 이용해 물을 전기분해하는 방식으로 초기에 음극 측에서 2분자의 알칼리 용액(KOH/NaOH)이 1분자의 수소(H2)로 환원되고 2개의 하이드록실 이온(OH-)이 생성
  - 음이온 교환막 수전해(AEMWE)는 음이온 교환막을 전해질로 이용하는 방식으로, AEC와 같이 저가의 촉매 물질을 채택하고 PEM 수전해 기술에서와 같이 고체 고분자 전해질 구조를 채택한 방식으로 대규모 수소생산에 유망한 방식이나, 아직까지는 촉매와 음이온 교환막의 성능이나 신뢰도가 부족
  - 고체산화물 수전해(SOECsWE)는 고체산화물 전해질을 이용해 800℃ 이상의 고온 수증기를 전기분해 해 수소를 생산하는 기술로 수증기를 800℃ 이상으로 가열하는데 추가 열원이 필요하고, 고온의 작동조건을 가지기 때문에 충분한 내구성을 가진 고체전해질에 대한 연구와 개발이 필요

- PEMWE은 전류밀도가 높아(2 A/cm2 이상) 에너지 효율이 높은 방법으로 평가받으며, 작동 온도가 20~80°C로 낮고, 장치의 크기도 작아 생산설비의 소형화가 가능하고 유지 및 보수 측면에서 우수하다는 장점
  - 또한 순수한 물을 원료로 사용하기 때문에 생산된 수소의 순도가 매우 높아 미래 수전해 수소생산 분야의 핵심 기술이 될 것으로 기대

- 하지만 양성자 교환막과 촉매가 매우 고가이기 때문에 유지비용이 많이 드는 단점이 있음
  - 음극(cathode)에서는 수소발생반응(hydrogen evolution reaction, HER)을 위해 Pt/Pd 촉매가 필요하고, 양극(anode)에서는 산소발생반응(oxygen evolution reaction, OER)을 위해 IrO2/RuO2 귀금속 촉매가 필요

PEMWE에서 주로 사용되는 이리듐(Ir) 촉매는 쉽게 전자를 잃어버리고 산화되는 촉매 반응 특성 탓에 효율·수명이 현저히 저하되는 고질적인 문제가 있어 해결할 필요 존재

- KAIST 연구팀은 안티모니(Sb)가 도핑된 주석 산화물을 사용하여 산화물 표면에 ‘전자 저장소’역할을 하는 산소 이온이 고농도로 분포하도록 반도체 증착 기술을 적용
  - 기존 합성 기술로는 얻기 어려운 독특한 조성의 소재를 초미세 패턴을 적층해 3차원 네트워크 구조를 구현할 수 있는 반도체 기술을 적용해 구현
  - 이런 독특한 산화물 반도체를 촉매 지지체로 사용하게 되면 표면에 위치한 산소 이온이 Ir 촉매로 충분한 양의 전자를 지속적으로 보충해 줌으로써 높은 수소 생산 효율을 장기간 유지 가능

- PEMWE 장치에 적용한 결과, 기존 Ir 상용 나노입자 촉매에 비해 최대 75배 개선된 세계 최고 수준의 성능 향상을 달성함과 동시에 높은 전류 밀도에서 장시간 구동하는 우수한 내구성 또한 확보
  - 기존 귀금속 촉매량의 10분의 1 이하만 사용하고도 동등 이상의 성능을 달성해, 앞으로 추가 연구를 통해 그린 수소 생산의 경제성을 확보할 수 있을 것으로 기대

[시사점]

그린수소 생산에서 전기요금 다음으로 가장 높은 비중을 차지하는 수전해 설비비용 감소를 통해 수소생산의 경제성 확보를 유도할 수 있는 기술적 개선 방안이 필요
일반적으로 PEMWE의 CAPEX(capital expenditure)를 낮추는 가장 직접적인 방법은 전극에 사용되는 귀금속 촉매량을 감소시키는 것인데, 이번 연구가 해당 부분에 기여할 것으로 기대

[출처]