유휴전력으로 고효율 수소 생산 가능한 수전해 기술 개발

[산업일보]
수소 관련 세계 시장은 지난해 기준 약 1천460억 불(USD)의 천문학적인 규모다. 연평균 8%씩 성장, 2023년에는 약 2천억 불 규모를 형성할 것으로 예상된다.

온실가스 저감을 위한 신기후체제 출범 후, 전 세계는 무한 재생산 가능한 수소에너지에 대한 관심을 높여가고 있다. 하지만 현재 생산되는 대부분의 수소는 화석연료를 기반(개질 수소, 부생 수소 등)으로 하고 있어, 진정한 의미의 청정 에너지원이라고 부르기는 어렵다.

반면, 버려지는 유휴(또는 예비)전력으로 물을 전기분해해 생산되는 수소는 사용 후 다시 물로 되돌아가기 때문에 완전한 청정 에너지원이다. 이를 생산하기 위한 수전해 시스템 중 하나인 음이온 교환막 수전해는 저가의 비귀금속 촉매를 사용하는 장점이 있지만 사용되는 촉매의 활성과 내구성이 낮은 단점이 존재한다. 여전히 산소발생 촉매로 귀금속인 고가의 이리듐 산화물(IrO2) 또는 수소발생 촉매로 다공성 탄소분말에 담겨진 백금(Pt/C)을 사용하는 한계가 있다.

국내 연구진이 버려지는 유휴전력으로 친환경 수소를 분산·독립적으로 생산 하는 수전해 기술을 개발했다. 에너지 관리 비용에 투입되던 많은 비용을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

재료연구소(KIMS) 표면기술연구본부 최승목 박사 연구팀은 청정 수소를 생산할 수 있는 수전해 시스템의 효율과 내구성 증가, 고성능/고내구성을 갖춘 비귀금속 2차원 나노구조 촉매를 저가로 합성 가능한 고신뢰성 전착 공정 기술을 세계 최초로 개발했다. 재현성 높은 원스텝 전착 공정 기술을 통해 촉매가 기판위에 바로 증착됨으로써 촉매 합성공정을 단순화 했다.


변수가 많고 시행착오적 연구에 기반을 둔 기존의 ‘전극 제조 공정(촉매 합성-촉매 슬러리-전극 코팅)’을 벗어나, 단일 원소가 아닌 Cu, Co를 동시에 2원계로, Cu, Co, P를 동시에 3원계로 2차원 나노 구조 형상으로 전극 기판에 직접 전착(electrodeposition)할 수 있는 원스텝 공정을 개발한 것이다. 덕분에, 촉매층과 전극 기판의 접착성을 높여 전도성을 향상시키고 기존 공정에 사용되는 접착제(binder)를 사용하지 않아, 높은 활성과 내구성을 확보했다.

수소 발생의 주요 저항 중 하나인 물질 전달 저항을 감소시켜 수소 및 산소 발생 효율과 내구성을 비약적으로 향상시켜 기존 귀금속 이리듐 산화물 촉매에 버금가는 우수한 특성을 보였다.

연구책임자인 재료연구소 최승목 선임연구원은 “높은 수소 발생 효율을 보이는 저가의 비귀금속 촉매 전극을 원스텝으로 재현성 있게 대면적으로 제작하는 것이 가능해졌다”면서, “이를 통해 저가로 수소를 생산할 수 있는 수전해 시스템의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이 같은 기술 개발은 향후 재생에너지 발전 비중 증가와 버려지는 유휴전력을 활용해 수소를 생산(수전해)-저장(수소저장합금 또는 용기)-활용(연료전지) 할 수 있는 수소에너저저장시스템의 실용화를 크게 앞당길 전망이다. 중앙 집중-분배 방식의 수소가 아니라 활용하는 곳에서 바로 수소를 생산할 수 있어 국가 전체 에너지 관리 효율을 크게 증가시켜 막대한 에너지 관리 비용을 줄일 수 있다. 대부분 수입에 의존하는 에너지 전환 촉매 분야에서 국산화에 의한 수입 대체 효과 뿐만 아니라 해외로의 수출도 가능할 것으로 판단하고 있다.