국내 연구진이 전기화학 방식의 수소 저장 기술 성능을 크게 향상시킬 수 있는 고분자 전해질막을 개발했다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 ‘SPAES’라는 탄화수소 기반 고분자 전해질막을 적용해 전기화학적 LOHC(액체 유기 수소운반체) 수소화 방식에 쓰이는 차세대 수소 저장용 분리막 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

연구는 화학연 소순용 박사와 연세대학교 이상영 교수 연구팀이 진행했다.

나피온(Nafion) 등 기존 상용화된 과불소계 양이온 교환막(PEM)의 단점이던 톨루엔 투과성을 60% 이상 줄이고 수소화 반응 효율은 72.8%까지 끌어올렸다.

LOHC는 수소를 저장하고 운송하기에 적합한 액체 화합물이다. 기존 기체 수소는 압축(100 bar 이상) 및 액화(-252.9 ℃)를 통해 운송해야 하는 문제가 있다.

연구팀은 탄화수소 기반의 ‘SPAES 분리막’을 새로 설계, 분리막을 통한 프로톤 전달 성능은 유지하면서도 톨루엔 투과를 최소화했다.

고분자 전해질막의 친수성 도메인을 2.1㎚로 좁혀 톨루엔 확산도를 낮췄다.

소순용 박사는 "물길처럼 이온이 지나가는 막 속 통로(친수성 도메인)를 머리카락 굵기의 5만 분의 1 크기로 아주 좁게 설계했다"며 "톨루엔이 막을 통과하는 속도를 기존보다 약 20배나 느리게 만들었다"고 말했다.

이 결과, 톨루엔 투과량은 60% 감소했다. 수소화 반응 효율(Faradaic 효율)은 기존 나피온의 68.4% 보다 높은 72.8%를 기록했다.

장시간(48시간) 구동 성능도 우수했다. 전압 강하율이 나피온(1,270 mV/h)에 비해 SPAES 적용 시 약 40% 개선됐다(728 mV/h)

소순용 박사는 "향후 발생한 전기를 바로 저장할 수 있는 통합형 소자 개발과 함께, 독립형 고효율 수소 저장 시스템을 구축한다면 2030년경 상용화가 가능할 것"으로 전망했다.

소 박사는 “전기화학 기반 수소 저장 기술의 병목이었던 분리막의 한계를 극복한 성과로, 기존 수소저장·운송 기술의 대안을 제시했다”고 말했다.

이영국 원장은 “이번 기술은 수소연료전지차, 수소 발전 등 다양한 친환경 에너지 시스템에 적용 가능성이 커, 수소 경제 활성화에 기여할 것"으로 기대했다.

연구결과는 국제학술지 ‘소재 화학' 표지논문으로 게재됐다.