[기계신문] 최근 신재생에너지 분야에서 물을 전기분해해 수소와 산소를 만드는 수전해와, 역반응인 전력생산 기능을 함께 갖춘 ‘일체형 재생연료전지’가 주목받고 있다.

태양광·풍력 등에서 발생하는 유휴 전력을 친환경 수소로 저장했다가 필요할 때 재사용할 수 있기 때문이다. 하지만 산소 발생 및 환원 반응에 필요한 촉매의 높은 가격이 상용화의 걸림돌이 되어왔다.

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 박현서 박사 연구팀이 서울대 공동 연구진과 함께 일체형 재생연료전지의 촉매 제조에 필수적인 고가의 귀금속 이리듐의 함량을 최대 80% 이상 줄일 수 있는 이중도금 전극 기술을 개발했다.

이 기술은 연료전지의 수소 및 산소 발생 전극으로 사용했을 때도 안정적인 성능을 보여 수전해·전력생산 일체형 재생연료전지의 현실화를 앞당기게 될 것으로 전망되고 있다.

수전해는 수소 생산 기술 중에 가장 친환경적인 수소 생산 방식으로 각광받고 있다. 그 중에서도 양이온 교환막 수전해는 높은 수소 생산 효율, 가압가능, 빠른 on/off 작동 등의 장점이 있어 전 세계적으로 일부 상용화되고 있다.

▲ (A, B) 기존 방법을 통해 형성된 평평한 물 산화촉매(IrO2) (C, D) 본 연구를 통해 형성된 반원형태의 고효율 저담지 물 산화 촉매(IrO2/Pt) (E) 본 연구를 통해 형성된 반원형태의 물 산화 촉매의 성분 분석(빨간색 껍질-IrO2/녹색 반원-Pt)

수전해의 성능을 결정하는 데에 느린 반응인 산소 발생 반응을 촉진하는 촉매가 큰 역할을 한다. 그러나 주로 사용되는 안정성 있는 좋은 촉매는 산화 이리듐으로 알려져 있는데, 이리듐은 고가의 귀금속이라는 단점이 있다.

기존 연구들에서 일반적으로 보고되는 스프레이, 데칼 방식의 전극 제작에서는 촉매 층에 촉매 입자와 이오노머가 균일하게 섞여 있다.

이오노머는 반응에서 생긴 이온 전달을 해줄 뿐 아니라 촉매 입자들이 전극에서 잘 떨어지지 않도록 해주며 촉매 입자들끼리도 서로 결합할 수 있도록 도와준다. 전기화학적 반응 활성이 있으려면 촉매를 통해 전자가 이동해야 하기 때문에 촉매 간의 결합 및 전극과의 결합이 중요하다.

그러나 이렇게 형성된 촉매 층에서는 촉매들의 뭉침 현상, 이오노머의 촉매 표면을 가리는 현상 및 이오노머로 인한 촉매 간 전기적 연결의 끊어짐 등으로 인한 촉매의 활성 면적의 손실이 있다. 또한, 담지량이 낮으면 물리적으로 흡착된 촉매들이 가동하며 떨어져 나가 성능 안정성이 크게 떨어질 수 있다.

이로 인해 많은 수전해 및 일체형 재생 연료전지 단위 전지 연구들에서는 높은 성능의 안정성을 가진 전극의 제작을 위해서 이리듐의 함량을 1㎎/㎠ 이상 높게 보고하고 있다.

연구팀은 기존의 일반적으로 보고되는 전극의 제작방식이 아닌 이오노머를 함유하지 않고 전극을 제작하는 도금 방식으로 촉매가 담지된 전극을 제작하였고 스프레이 방식으로 제작된 전극과 비교 분석하였다.

▲ 연속적 도금을 통한 전극 제조 및 기존 전극 제조 방식과의 비교 모식도

전극 분석 결과, 이오노머가 함유된 기존 스프레이 방식의 촉매 층 담지 전극의 경우 표면이 소수성을 나타내었고 기공도가 낮음을 확인하였다. 이로 인해 반응물인 물의 촉매 층까지 접근 및 촉매 층에서 발생한 기체의 방출이 쉽지 못한 점을 확인하였다.

도금 방식으로 제작할 경우 이오노머가 없이도 도금 과정에서 기판 위에서 전기화학적 반응에 의해 촉매들이 형성과 동시에 기판 위에 담지됨으로 화학적 결합으로 연결되어 있게 된다. 또한, 전도성이 있는 표면에 형성됨에 따라 기판 전반적으로 고르게 나노 크기의 촉매들이 올라가게 된다.

이에 따라 물리적으로 기판의 촉매 표면에만 올리는 기존방식과 다르게 전반적으로 산화 이리듐이 표면을 코팅하게 되면서 기판의 성질이 친수성으로 바뀐다.

친수성 전극으로 인해 반응물인 물이 촉매로의 접근이 용이해지면서 수전해에서 물질전달로 인한 과전압손실을 감소시켜준다. 실제 수전해 운전 시 도금 전극의 경우 스프레이 전극보다 물질전달 저항이 약 8.7배 감소하는 것을 확인하였다.

▲ (a) 전극 제조 방식에 따른 수전해 성능 결과 비교 (b) 이중 도금 전극의 연료전지 성능 결과(연료전지의 산소 전극 (ORR) 또는 수소 전극 (HOR)으로 사용했을 때, ORR(oxygen reduction reation) :1/2O2 + 2H+ + 2e- → H2O, HOR(hydrogen oxidation reaction) : H2 → 2H+ + 2e-

연구팀은 이에 더하여 더 높은 성능을 가지는 도금 전극을 만들기 위해 이중도금 전극을 도입하였다. 단일도금의 경우 도금 시간이 증가하여도 이전 촉매 층 위에 도금이 이루어지면서 반응 활성 표면적 증가에는 한계점을 가지기 때문이다.

이에 지지체를 도금하고 이어 촉매를 도금하는 이중 도금 방식을 적용함으로써 도금으로 얻는 촉매 활성 면적을 2.5배 이상 증가시켰고, 이로부터 수전해 성능 또한 2.1배 향상됐다. 이는 기존의 주된 전극 제작방식인 스프레이로 제작한 전극보다 촉매 질량 당 활성이 56배 증가한 수치이다.

일체형 재생 연료전지에서 수전해 운전뿐만 아니라 표현의 산화 이리듐을 이리듐으로 환원시킴으로써 연료전지 촉매로써도 활용하였고 안정적인 성능을 얻었다.

연구팀은 이중 도금 방식으로 0.15㎎/㎠의 낮은 귀금속 함량으로 우수한 수전해 성능 및 재생 연료전지 성능을 달성하였다. 이리듐 담지량만 본다면 전 세계적으로 수전해 시스템을 상용화하기 위해 요구되는 귀금속 질량당 목표치인 0.01gIr/㎾를 달성하였다.

박현서 박사는 “귀금속 함량이 낮으면서도 성능과 안정성이 우수한 이중도금 기술 전극이 일체형 재생 연료전지뿐만 아니라 산소 발생 반응을 포함하는 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 여러 친환경 연료전지 분야에서도 폭넓게 응용될 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.

한편, 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업 및 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행된 이번 연구 결과는 에너지 환경 분야 국제 저널 ‘Applied Catalysis B-Environmental’ 최신 호에 게재되었다.

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