【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교)과 한국재료연구원이 손잡고 친환경 수소 생산의 상용화에 한 걸음 다가섰다.
 ▲ 연구팀이 개발한 음이온 교환막(AEM)이 적용된 수전해 장치 © 포스텍 |
POSTECH 화학공학과 박태호 교수 연구팀은 한국재료연구원 에너지·환경재료연구본부 최승목 박사 연구팀과 공동으로 고온·고전류 조건에서도 뛰어난 성능과 내구성을 유지하는 음이온 교환막(AEM, Anion Exchange Membrane)을 개발했다고 2일 밝혔다. 이 연구 성과는 세계적 에너지 분야 학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials) 온라인판에 최근 게재됐다.
수소는 대표적인 청정에너지로 각광받고 있지만, 생산 과정에 막대한 비용이 들어 실용화에 걸림돌이 되어 왔다. 특히 태양광이나 풍력 등 재생에너지로 물을 분해해 얻는 '그린 수소'는 탄소 배출이 없는 이상적인 방식이지만, 높은 효율을 위해 값비싼 백금 촉매가 필요하다는 점이 단점으로 지적돼 왔다.
이에 대한 대안으로 떠오른 것이 AEM 수전해 기술이다. 이 방식은 특수 막을 통해 이온을 이동시키는 구조로, 막의 성능이 좋다면 저렴한 비귀금속 촉매로도 고효율 수소 생산이 가능하다. 그러나 기존 AEM은 고온이나 강한 알칼리 조건 등 산업적 환경에서 쉽게 성능이 저하되는 한계가 있었다.
연구팀은 고분자 구조 내에 '틈새 알킬 사슬(interstitial alkyl chain)'을 도입해 이 문제를 해결했다. 이는 마치 복잡한 도로에 우회로를 만든 것처럼 이온의 흐름을 원활하게 해, 전도성과 안정성을 모두 향상시켰다.
실험 결과, 새롭게 개발된 AEM은 80℃의 고온에서도 높은 이온 전도성을 유지했으며, 강한 알칼리 환경에서도 2,000시간 이상 안정적으로 작동했다. 특히 실제 수소 생산 장치에 적용했을 때도 70℃에서 100일 넘게 연속 운전이 가능해, 세계 최고 수준의 내구성을 입증했다.
또한 장기간 사용 시 성능 저하를 나타내는 전압 강하율이 시간당 29mV(밀리볼트) 이하로, 에너지 손실 또한 극히 적은 수준이었다.
박태호 교수는 “이번 연구는 수소 생산 기술의 경제적 진입 장벽을 크게 낮췄다는 데 의의가 있다”며, “고온·고전류 조건에서도 안정적으로 작동하는 AEM 개발로 친환경 수소의 산업적 확산이 더욱 빨라질 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부의 ‘탄소제로 그린 암모니아 사이클링 연구사업’과 교육부의 ‘박사과정생 연구장려금 지원사업’의 지원을 받아 수행됐다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
POSTECH-Korea Institute of Materials Science joint research team develops high-performance AEM, expecting to drastically reduce the cost of producing 'green hydrogen'
POSTECH (Pohang University of Science and Technology) and Korea Institute of Materials Science have joined hands to take a step closer to commercializing eco-friendly hydrogen production.
The research team of Professor Park Tae-ho of the Department of Chemical Engineering at POSTECH announced on the 2nd that they have developed an anion exchange membrane (AEM) that maintains excellent performance and durability even under high temperature and high current conditions in collaboration with the research team of Dr. Choi Seung-mok of the Energy and Environmental Materials Research Center of Korea Institute of Materials Science. This research result was recently published in the online edition of Advanced Energy Materials, a global energy journal.
Hydrogen is receiving attention as a representative clean energy, but the enormous cost of the production process has been an obstacle to commercialization. In particular, 'green hydrogen' obtained by decomposing water using renewable energy such as solar or wind power is an ideal method that does not emit carbon, but the need for an expensive platinum catalyst for high efficiency has been pointed out as a disadvantage.
The AEM electrolysis technology has emerged as an alternative. This method is a structure that moves ions through a special membrane, and if the membrane performance is good, high-efficiency hydrogen production is possible even with an inexpensive non-precious metal catalyst. However, existing AEMs have limitations in that their performance is easily reduced in industrial environments such as high temperatures or strong alkaline conditions.
The research team solved this problem by introducing an 'interstitial alkyl chain' within the polymer structure. This improved both conductivity and stability by facilitating the flow of ions, as if creating a detour on a complex road.
As a result of the experiment, the newly developed AEM maintained high ion conductivity even at a high temperature of 80℃ and operated stably for more than 2,000 hours even in a strong alkaline environment. In particular, when applied to an actual hydrogen production device, it was able to operate continuously for more than 100 days at 70℃, proving its world-class durability.
In addition, the voltage drop rate, which indicates performance degradation during long-term use, was less than 29mV (millivolts) per hour, and energy loss was also extremely low.
Professor Park Tae-ho said, “This study is significant in that it significantly lowers the economic entry barrier for hydrogen production technology,” and “The development of AEM that operates stably even under high-temperature and high-current conditions will further accelerate the industrial diffusion of eco-friendly hydrogen.”
This study was conducted with the support of the Ministry of Science and ICT’s ‘Zero Carbon Green Ammonia Cycling Research Project’ and the Ministry of Education’s ‘Doctoral Research Incentive Support Project.’
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