고려대학교 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 이소영 박사 연구팀과 함께 차세대 수소 생산 기술인 ‘음이온 교환막 수전해(AEMWE)’의 성능과 내구성을 동시에 높일 수 있는 다층 멤브레인 구조를 개발했다.

13일 고려대에 따르면 수전해 기술은 물을 전기로 분해해 고순도 수소를 생산하는 기술로, 탄소 배출이 없는 ‘그린수소’ 생산의 핵심 기술로 평가된다. 기존 알칼라인 수전해 방식은 비교적 저렴한 소재를 사용할 수 있지만 구조적 특성으로 수소와 산소가 섞일 가능성이 있어 효율과 안전성에 한계가 있었다.

이를 개선한 음이온 교환막 수전해 기술이 대안으로 주목받고 있으나 높은 온도와 강한 알칼리 환경에서 안정적으로 작동하기 어렵다는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 기능을 분리한 다층 구조 멤브레인을 설계했다. 중앙에는 기계적 지지 역할을 하는 지르폰(Zirfon) 분리막을 배치하고, 양쪽에는 서로 다른 기능을 수행하는 고분자 막을 결합한 ‘TFA(Thin Film Assembled)’ 구조를 적용했다.

한쪽 막은 강한 알칼리 환경에서도 안정성을 유지하도록 설계했고, 다른 한쪽 막은 이온 이동을 원활하게 해 수전해 반응 효율을 높였다.

실험 결과 새 멤브레인은 기존 대비 수소 가스 투과도를 10배 이상 낮춰 수소와 산소가 섞이는 현상을 크게 줄였다. 또 높은 전류 조건에서도 안정적인 수소 생산 성능을 유지했으며, 비귀금속 촉매를 사용한 경우에도 높은 성능을 보였다.

특히 1670시간 이상의 장기 운전에서도 안정적으로 작동해 우수한 내구성을 입증했다.

연구팀은 “음이온 교환막 수전해 기술 상용화를 위해서는 고성능 고분자막 개발뿐 아니라 기능을 분리·복합화한 설계 전략이 중요하다”며 “이번 연구는 고전류 조건에서도 장기 안정 운전에 성공해 차세대 그린수소 생산 기술의 상용화 가능성을 보여줬다”고 설명했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국과학기술연구원 주요사업과 국가과학기술연구회 지원사업, 한국연구재단 연구과제로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 컴포지트 앤드 하이브리드 머티리얼즈(Advanced Composites and Hybrid Materials)’에 게재됐다.