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고신뢰성 전착 공정 기술 개발

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작성일19-07-23 17:24 조회916회

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버려지는 유휴전력으로 고효율 수소를 생산한다?!

- 재료, 고신뢰성 전착 공정 기술 개발 -



국내 연구진이 유휴전력으로 친환경 수소를 저렴하게 분산·독립적으로 생산 하는 수전해 기술을 개발해

    막대한 에너지 관리 비용을 줄일 수 있는 단초를 제공하게 됐다.

    * 유휴 전력: 재생에너지로 생산된 전력이 계통에 연계되지 못해 버려지는 전력, 2017년 독일

      ​(재생에너지 발전 비중 30%)의 경우 4.65 TWh의 전력이 버려졌음.

재료연구소(KIMS, 소장 이정환) 표면기술연구본부 최승목 박사 연구팀은 청정 수소를 생산할 수 있는

    수전해 시스템의 효율과 내구성을 증가시키는 역할을 하는 고효율 비귀금속 촉매를 저가로 합성

    가능한 고신뢰성 전착 공정 기술을 세계 최초로 개발했다.

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.

반면에 버려지는 유휴(또는 예비)전력으로 물을 전기분해하여 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. 이로 인해 여전히 산소발생 촉매로 귀금속인 고가의 이리듐 산화물(IrO2) 또는

    ​수소발생 촉매로 다공성 탄소분말에 담지된 백금(Pt/C)을 사용하는 한계를 보여주고 있다.

    * 음이온교환막수전해(anion exchange membrane water electrolyzer): 음이온교환막 수전해는 기존의

      알칼리수용액수전해, 양이온교환막수전해의 장점을 동시에 취할 수 있다는 장점이 있다. 저렴한

      비귀금속 촉매를 사용하여 높은 에너지밀도로 고순도의 수소를 고압으로 생산할 수 있으며, 시스템

      단가가 저렴하고 컴팩트 하기 때문에 독립·분산형 수소 생산에 적합하다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 저가의 고성능/고내구성을 갖춘 비귀금속 2차원 나노구조 촉매를

    개발하였다. 재현성 높은 원스텝 전착 공정 기술을 통해 촉매가 기판위에 바로 증착됨으로서 촉매

    합성공정을 단순화 하였다.

​  ㅇ 연구팀은 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 개발했다.

    * 전착 (electrodeposition): 기판을 전구체 용액에 담그고 기판에 전기를 가하면 기판위의 환경이

      알칼리 분위기로 변하거나 또는 환원 분위기가 되어 전구체가 나노구조를 갖는 수산화물의 형태로

      증착 되거나 금속으로 도금이 된다.

   ㅇ 이를 통해 촉매층과 전극 기판의 접착성을 높여 전도성을 향상시키고 기존 공정에 사용되는 접착제

     ​(binder)를 사용하지 않아, 높은 활성과 내구성을 확보했다. 뿐만 아니라, 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 보여주었다. 후속연구를 통해 이리듐 산화물

     촉매보다 1.5 배 우수한 활성의 촉매를 개발하였고 관련 연구 결과를 논문에 투고 하였다.

     * 물질전달저항 (mass transfer resistance): 전기가 가해지면 촉매 표면에서 물의 흡착과 산소의

        발생이 동시에 일어나게 된다. 촉매 표면에서 발생된 산소가 제거 되어야지만 그 촉매 표면에 다시

        물이 흡착을 하게 되어 반응이 원활히 일어나게 된다. 하지만, 촉매 구조와 전극 구조, 기공 구조,

       ​촉매 표면 특성, 물의 흐름, 확산층의 특성 등에 의해 발생된 산소가 원활히 제거 되지 못하게 되면

       물이 흡착할 수 없게 되고 반응은 천천히 일어나게 된다. 이와 같은 물질전달저항은 높은 전압,

       ​전류에서 산소가 많이 발생할 때 더 뚜렷해진다.

   ㅇ 또한, 실제 상황에서 개발된 촉매의 성능을 평가하기 위해 자체적으로 개발한 단위셀에서 평가를

     진행하였고 더 나아가 상용화 가능 단계인 스택에서의 실증 연구를 진행하고 있다.

     * 단위셀(single cell): 실제 시스템에 장착되는 상용화 스택을 모사 할 수 있는 작은 면적의 셀이다.

       ​이를 통해 실제 환경에서의 성능을 예측할 수 있다.

수소 관련 세계 시장은 2018년 기준 약 1,460억불(USD)의 천문학적인 규모로 연평균 8%씩 증가해

    ​2023년에는 약 2,000억불 규모로 성장할 것으로 예상된다. 본 기술 개발을 통해 재생에너지 발전 비중

    증가에 기여하고, 동시에 버려지는 유휴전력을 활용해 수소를 생산(수전해)-저장(수소저장합금 또는

    용기)-활용(연료전지) 할 수 있는 수소에너저저장시스템의 실용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

    ​이를 통해 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. 또한, 대부분 수입에

    의존하는 에너지 전환 촉매 분야에서 국산화에 의한 수입 대체 효과 뿐만 아니라 해외로의 수출도 가능할

    것으로 전망된다.

    * 수소에너지저장시스템 (hydrogen energy storage system): 기존의 배터리 에너지저장시스템을 보완

      또는 대체 할 수 있는 시스템으로 유휴전력을 수전해를 통해 수소로 안전하게 저장했다가 전력 수요가

      생길 경우 저장된 수소를 활용하여 연료전지를 통해서 전력을 공급할 수 있는 에너지저장 시스템 이다.

      이 시스템이 각 가정에 보급되면 생산된 수소를 이용하여 가정에서 수소전기차를 충전 할 수 있다.

연구책임자인 재료연구소 최승목 선임연구원은 본 기술을 통해 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 기대된다.”고 말했다.

본 연구 성과는 재료연구소의 자체연구사업, 한국에너지기술평가원의 신재생에너지융합원천기술개발

    사업의 지원을 받아 수행됐다.

또한, 연구팀은 관련 연구결과를 미국화학회(American Chemical Society)의 에이씨에스 어플라이드

    머테리얼즈 앤 인터페이시즈(ACS Applied Materials & Interfaces)(1저자 재료연구소 장명제) 에이씨

    에스 서스테이너블 케미스트리 앤 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering)(1저자 재료

    연구소 박유세)지에 표지논문으로 게재했으며, 관련 원천특허를 출원하고 시스템 실증을 위한 후속

    연구와 상용화를 위한 기술이전을 진행 중에 있다.