음이온교환막 수전해의 핵심 부품인 전극을 원료물질로부터 바로 양산 가능 수준으로 만드는 원스텝 전극 제조 공정이 국내에서도 개발됐다.

한국재료연구원(KIMS) 최승목 박사 연구팀은 국내 최초로 개발해 상용 수준의 음이온교환막 수전해 스택에 적용하는데 성공했다고 19일 밝혔다.

이 기술은 원스텝 열간 압착 공정으로 원료물질인 코발트 수산화물을 촉매인 코발트 산화물로 변환하면서 동시에 고균일 촉매층을 형성하는 기술이다. 

기존 공정(수산화물-산화물-분쇄-분산-코팅-건조)은 복잡한 반면 공정 단계를 한 번의 코팅으로 대체해 기존 공정 대비 60% 수준 간소화시켰고 동시에 균일한 촉매층 형성을 가능하게 했다. 

또한 수소 발생 효율과 연속 운전 시 성능 감소율을 크게 개선했다.

연구팀은 원스텝 전극 제조 공정의 최적화를 위해 코발트(Co) 수산화물의 슬러리 조건과 열간 압착 공정의 핵심 인자인 온도 및 압력을 세밀하게 조절해 10나노미터 크기의 균일한 산화물 입자로 구성된 촉매층 제조에 성공했다. 

또한 개발된 전극을 음이온교환막과 수소발생촉매를 이용해 막전극접합체를 제조한 후 상용 수준의 수전해 셀에서 이의 안정성과 성능을 확인했다. 

연구팀은 개발된 전극을 음이온교환막 수전해 시스템에 적용해 높은 수소 발생 효율(저위발열량기준 수소 발생 효율 약 80퍼센트)과 낮은 성능감소율(연속 운전 1000시간 동안 성능 감소율 2밀리볼트/킬로아워)의 안정적인 음이온교환막 수전해를 개발할 수 있었다.

수전해를 통한 그린수소 생산량은 2030년까지 1100만톤, 69기가와트 용량을 가질 것으로 예상되며 국내에서는 2024년 MW급 음이온교환막 수전해 시스템 실증을 위한 기술 개발을 추진하고 있고 2030년을 목표로 MW급 수전해 시스템 상용화를 추진하고 있다. 

국내 음이온교환막 수전해 기술 수준은 선진국 대비 약 70~80% 수준으로 이번 기술 개발을 통해 양산 가능한 전극 제조 공정에 대한 원천기술을 확보해 관련 기술의 글로벌 우위 확보와 수전해 기술 국산화 및 해외 수전해 시장 창출과 선점이 가능할 것으로 기대된다.

최승목 책임연구원은 "높은 공정 신뢰성을 가진 원스텝 열간 압착 전극 제조 공정을 개발해 음이온교환막 수전해의 상용화 관련 난제 중 하나를 해결했다"며 "이 기술이 적용되면 음이온교환막 수전해의 대량 양산이 가능해 단가를 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.

창원=강종효 기자 k123@kukinews.com