강원대학교(총장 김헌영) 에너지공학부 조용훈 교수팀, 한국화학연구원 에너지소재연구센터 이장용 박사팀과 서울대학교 IBS 나노입자연구단 성영은 교수팀이 차세대 수전해 및 연료전지의 핵심 화학소재인 음이온교환형 전해질막 및 전극 바인더 소재를 개발하고, 고효율화 기술을 개발하는 데 성공했다.

수전해는 물을 전기분해하여 그린 수소를 생산하는 기술이고, 연료전지는 수소의 화학적 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 수소 활용의 핵심 기술로서 그린뉴딜의 핵심 기술로 손꼽히고 있다. 현재 다양한 기업에서 관련 제품을 출시하고 있으나, 핵심 기술이 일부 선진국에 집중되어 있고, 고가의 귀금속계 촉매 및 과불화탄소계 양이온교환소재를 사용하므로 가격이 비싸다는 단점이 있다.

이의 대안으로 음이온교환형 전해질막 및 전극 바인더를 사용하는 수전해(음이온교환막 수전해; AEMWE)와 연료전지(음이온교환막 연료전지; AEMFC) 기술이 크게 주목받고 있다. 음이온교환형 소재를 사용하는 시스템의 경우 다양한 운용상의 이점 이외에도 저가의 비귀금속계 촉매를 사용할 수 있어 시스템 제조 비용을 낮출 수 있다는 장점이 있다. 그럼에도 불구하고 핵심 화학소재인 음이온교환형 전해질막 및 전극 바인더의 낮은 성능과 내구성은 이의 상업적 활용을 저해하는 주요 요인으로 판단 되어왔다.

공동 연구진은 촉매와의 흡착을 최소화하고 음이온 전도도 및 화학적 안정성을 극대화할 수 있는 폴리카르바졸계 음이온교환소재 및 이의 최적 적용기술을 개발했다.

개발한 소재는 기존의 상용 음이온교환소재와 비교하여 3배 이상의 음이온 전도도를 보였을 뿐 아니라, 월등히 뛰어난 화학적 안정성을 나타냈다. 또한, 수전해 및 연료전지 셀에 전해질막 및 전극 바인더로 적용했을 때 상용소재 대비 각각 2배 이상의 셀성능을 나타냈다. 특히, 수전해로 적용했을 때에는 동일한 셀 구조에서 기존 양이온교환막을 사용한 수전해 셀에 비해서도 더 우수한 결과를 보였다.

성능 및 내구성 이외에도 개발한 음이온교환형 소재는 제조 방법이 간단하여 대용량 합성이 용이하다는 장점이 있다. 이에, 대용량 합성 및 고분자량화 기술 관련 특허를 출원하여 대용량 생산 기술 개발에 박차를 가하고 있다.

연구를 주도하고 본 논문의 교신저자인 강원대학교 조용훈 교수는 “이번에 개발된 원천소재기술을 통하여 음이온 교환막 연료전지와 수전해 시스템의 세계 최고성능을 확보하게 되었다”고 덧붙였다. 이 같은 연구성과는 재료과학 분야 권위지인 『Energy & Environmental Science(IF:30.289)』에 ‘에너지 변환 소자용 고성능, 고내구성 폴리카르바졸계 음이온 전도성 소재(Poly(carbazole) -based anion-conducting materials with high performance and durability for energy conversion devices)’으로 온라인 게재됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 기후변화대응기술개발사업, 기초과학연구원 (IBS), 한화솔루션의 R&D협력사업 및 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행 됐다.

김지성 기자 다른기사 보기