포스텍은 화학공학과 박태호 교수와 박사과정 임해량 씨 연구팀이 재료연구소 에너지환경소재연구단 최승목 박사, 정재엽 박사 연구팀과 공동으로 음이온교환막 전기분해(AEMWE)에 필요한 높은 이온전도도와 고안정성 음이온교환막을 개발했다고 1일 밝혔다. 수전해 시스템은 전기를 이용해 물에서 수소를 얻는 친환경 기술이다. 다양한 시스템 가운데 수전해 공정에서 음이온의 이동을 돕는 음이온교환막을 이용한 AEMWE는 값싼 비귀금속 촉매를 사용해 수소 생산 단가를 낮추는 차세대 수전해 기술로 떠오르고 있다.
물 전기분해 시스템의 내구성을 높이는 기술을 개발한 연구팀. 왼쪽부터 포스텍 박태호 교수, 박사과정 임해량, 한국재료연구소 최승목 박사, 정재엽.
그러나 AEMWE는 양이온 교환막 전기분해(PEMWE)보다 이온 전도도가 낮습니다. 이는 AEMWE가 선택적으로 이동시키는 음이온이 PEMWE가 선택적으로 이동시키는 양이온보다 무겁고, 음이온 교환막이 고리 모양의 방향족 구조를 가지고 있어 이온 분자 간의 상호 작용이 강하고 이온 이동도가 낮기 때문입니다. 또한 음이온 교환막은 알칼리성 환경에서 쉽게 분해되어 안정성과 에너지 변환 효율이 낮았고 내구성은 PEMWE의 1/10에 불과했습니다. 연구팀은 AEMWE 교환막을 구성하는 이온 전도성 작용기와 폴리머 주쇄 사이에 탄소가 선형으로 연결된 긴 알킬기를 도입하여 ‘간극 알킬 사슬’을 가진 음이온 교환막을 합성했습니다. 이 사슬은 음이온 교환막에서 이온 전도성 채널의 형성과 막과 촉매층 간의 상호 작용을 개선하여 AEMWE에서 이온 이동 속도를 증가시켰습니다. 더불어 연구팀이 개발한 교환막은 유연한 특성을 가지고 있고, 외부 압력과 충격에도 강한 내구성을 보였습니다.
간극 알킬 사슬이 있는 막을 사용한 음이온 교환막 전기 분해 장치의 내구성 향상을 보여주는 이미지. 단일 셀(위)과 넓은 영역
실험 결과, AEMWE는 1.0A/cm²(표면적당 전류 밀도)에서 2mV/kh(시간당 전압)의 낮은 전압 감쇠율을 보여 안정성을 입증했다. 또한 대면적(63.6cm²) 시스템에서도 2,000시간 동안 80.2%의 높은 에너지 변환 효율을 보였다. 초기 효율의 90%를 기준으로 약 50,000시간의 예상 수명을 보였다. 박태호 교수는 “AEMWE 상용화의 주요 이슈였던 낮은 내구성 문제를 극복했다”며 “지속 가능한 에너지 산업 발전에 기여하고 환경 보호와 자원 절약에 크게 기여할 수 있기를 기대한다”고 말했다. 과학기술정보통신부 탄소제로그린암모니아사이클링연구사업 및 C2S(Catalyst to Stack) 성능열화 최소화를 위한 전극형상 및 구조제어기술 개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 최근 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 게재됐다. 기사출처: 전자신문 정재훈 기자
포스텍, 내충격 전기분해 시스템 기술 개발 포스텍은 화학공학과 박태호 교수와 임해량 박사과정 연구팀이 재료연구소 에너지환경소재연구센터 최승목 박사, 정재엽 연구팀과 공동으로 음이온교환막 전기분해(AEMWE)에 필요한 고이온전도도, 고안정성 음이온교환막을 개발했다고 1일 밝혔다. 전기분해 www.etnews.com
