화학연, 상용 소재보다 성능 뛰어난 수소 저장용 분리막 개발

[이데일리 강민구 기자] 한국화학연구원 연구진이 전기화학 방식의 수소 저장 기술 성능을 높일 수 있는 고분자 전해질막을 개발했다.

한국화학연구원은 소순용 박사와 이상영 연세대 공동 연구팀이 ‘SPAES’라는 탄화수소 기반 고분자 전해질막을 적용해 전기화학적 액체 유기 수소운반체(LOHC) 수소화 방식에 쓰이는 차세대 수소 저장용 분리막 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

연구팀은 나피온 등 기존 상용화된 과불소계 양이온 교환막의 단점이던 톨루엔 투과성을 60% 이상 줄이고 수소화 반응 효율은 72.8%까지 높였다.

주요 연구진 사진 (앞에서부터 시계방향)이창진 화학연 학생연구원, 소순용 책임연구원, 유덕만 책임연구원.(사진=한국화학연구원)

LOHC는 수소를 저장하고, 운송하기에 적합한 액체 화합물이다. 기존 기체 수소는 압축하거나 액화해서 운송해야 하는 문제가 있었다. 톨루엔과 같은 LOHC를 활용한 전기화학적 수소 저장이 주목을 받고 있지만 기존 톨루엔 전기화학적 수소 저장은 전기화학 장치 내 분리막을 통해 톨루엔이 반대쪽 전극으로 투과해 손실됐다.

기존 상용화된 과불소계 막(나피온 등)도 톨루엔 투과율이 높다는 문제가 있었다. 톨루엔의 손실뿐만 아니라, 수소화 반응 중 산소 발생 촉매를 오염시켜 반응 효율이 하락했다.

연구팀은 탄화수소 기반의 ‘SPAES 분리막’을 새로 설계해 분리막을 통한 프로톤 전달 성능은 유지하면서도 톨루엔 투과를 최소화했다. 고분자 전해질막의 친수성 도메인을 2.1나노미터로 좁혀 톨루엔 확산도를 낮췄다.

그 결과, 톨루엔 투과량은 60% 감소하고, 수소화 반응 효율을 나타내는 패러데익(Faradaic) 효율은 기존 나피온의 68.4% 보다 높은 72.8%를 기록했다. 48시간 구동 성능도 전압 강하율이 나피온에 비해 약 40% 개선되는 것으로 나타났다.

연구팀은 앞으로 전기를 바로 저장할 수 있는 통합형 소자를 개발하고, 독립형 고효율 수소 저장 시스템을 구축한다면 오는 2030년께 상용화가 가능할 것으로 전망했다.

이영국 화학연 원장은 “수소연료전지차, 수소 발전 등 다양한 친환경 에너지 시스템에 적용 가능성이 크다”며 “수소 경제 활성화에 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 지난 2월 재료·에너지 분야 국제 학술지 ‘소재 화학 A(Journal of Materials Chemistry A)’에 표지 논문으로 게재됐다.