전기화학 방식 수소 저장 기술 성능을 크게 향상시킬 수 있는 고분자 전해질막이 국내 개발됐다.
한국화학연구원(원장 이영국)은 소순용 화학소재연구본부 박사와 이상영 연세대 교수 공동 연구팀이 탄화수소 기반 고분자 전해질막 'SPAES'를 적용해, '액체 유기 수소운반체(LOHC)' 전기화학적 수소화용 차세대 수소 저장 분리막 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.
LOHC는 수소 저장·운송에 적합한 액체 화합물로 톨루엔이 대표적이다. 기체 수소는 압축·액화 운송해야 해 LOHC를 활용한 전기화학적 수소 저장이 주목 받는다.
문제는 전기화학 장치 내 분리막을 통해 톨루엔이 반대 전극으로 투과돼 손실되는 것이다. 나피온 등 기존 상용화 과불소계 막은 톨루엔 투과율이 높다. 톨루엔 손실뿐 아니라, 수소화 반응 중 산소 발생 촉매가 오염돼 반응 효율이 하락하는 문제가 있었다.
연구팀은 이에 SPAES 분리막을 새로 설계해, 기존 전달 성능은 유지하면서도 톨루엔 투과를 최소화했다.
이온이 지나가는 분리막 내 통로(친수성 도메인)를 머리카락 굵기 5만 분의 1 크기로 좁힌 것이다. 이 구조는 톨루엔 분자의 막 속 확산을 방해해, 통과 속도를 기존보다 약 20배 느리게 만들었다.
그 결과, 톨루엔 투과량은 60% 감소하고, 수소화 반응 효율을 나타내는 패러데이 효율은 기존 나피온(68.4%) 보다 높은 72.8%를 기록했다. 48시간 장시간 구동 성능도 우수했다. 전압 강하율이 나피온 대비 약 40% 개선됐다.
전극 오염 억제 효과도 입증됐으며, 분리막 자체의 화학적 안정성도 높아 구조적 변화 없이 장기 사용 가능성이 높다.
연구팀은 향후 발생 전기를 바로 저장할 수 있는 통합형 소자 개발, 독립형 고효율 수소 저장 시스템 구축이 이뤄지면 2030년경 상용화가 가능할 것으로 전망했다.
이영국 원장은 “이번 기술은 수소연료전지차, 수소 발전 등 다양한 친환경 에너지 시스템에 적용 가능성이 커, 수소 경제 활성화에 기여할 것”이라고 밝혔다.
관련 논문은 2월 '소재 화학 A'에 표지 논문으로 게재됐다. 소순용·유덕만 화학연 박사와 이상영 연세대 교수가 교신저자, 이창진 화학연 학생이 1저자로 참여했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
