바닷물에서 바로 수소생산 기술 세계최초 개발

한국에너지기술연구원 해양융복합연구팀 한지형 박사 연구팀이 바닷물에서 바로 수소를 생산할 수 있는 기술을 세계최초로 개발했다.

한 박사 연구팀이 개발한 기술은 바닷물에서 바로 수소를 생산할 때, 해수 산성화를 유도해 분산형 무기침전물을 완전히 억제하고 전극 계면에서 무기침전물의 성장 속도를 감소시켜 '직접해수전해'의 성능과 안정성을 높일 수 있는 기술이다.

그동안 국내외 연구는 촉매 개발에만 집중, 산소발생반응이 선택적으로 일어나고 고전류밀도를 견디는 고성능 촉매가 개발되고 있으나 실제 해수를 사용할 경우 발생하는 환원전극에서의 무기침전문제를 해결하는 방법을 제시한 연구는 전무했다.

한지형 박사 연구팀은 물 해리반응(Water dissociation:　H2O → H+ + OH-)이 일어나는 양극성 막을 격막으로 사용해 추가 화학물질을 사용하지 않고 천연 해수를 산성화시켜 무기 침전을 제어했다.

양극성 막(bipolar membrane, BPM)이란 양이온교환층(cation exchange layer, CEL)과 음이온교환층(anion exchange layer, AEL)으로 이루어진 이중층 구조 사이에 물 분해를 돕는 촉매가 포함되어 있어 양 단에 전압이 걸리면 물 해리반응을 통해 물은 양성자(H+)와 수산화이온(OH-)로 분리하는 막이다.

한 박사 팀이 개발한 '직접해수전해'는 해수를 전해액으로 사용하기 때문에 해수담수화 및 초고순도 공정에 필요한 제반시설에 대한 제약 없이 바다가 인접한 어느 곳에서나 수소 생산을 가능하게 하여 수소경제 활성화에 기여할 수 있다.

또한 이번 연구를 통해 무기침전문제를 해결할 수 있는 방법을 제시함으로써 직접해수전해 스택 개발의 가능성이 더 높아졌으며, 부유식 해상 풍력 플랫폼과의 연계 시스템을 통한 해양그린수소 생산이 기대되고 있다.

해양융복합연구팀 한지형 박사는 “양극성막(격막)과 해수(전해액)의 조합은 전기화학 연구에서 최초의 사례이며 해수 산성화라는 새로운 현상을 발견했다”며, “이번 연구결과를 통해 직접해수전해의 성능과 안정성을 높일 수 있는 원천기술을 확보하였고, 대용량 스택 개발의 가능성을 크게 높였다”고 밝혔다.

이번 연구 성과는 한국에너지기술연구원 기본사업과 과학기술정보통신부 신진연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 화학공학 분야 권위지인 “케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)”에 게재됐다.