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• KIST, 저알칼리 수전해 기술로 그린수소 핵심 자립 발판 마련

  송고일 : 2026-01-02
  
  

  [투데이에너지 장재진 기자] 한국과학기술연구원(KIST)이 그린수소 생산 비용을 획기적으로 절감하고 국내 기술 경쟁력을 강화할 수 있는 차세대 수전해용 막 소재를 개발했다고 2일 밝혔다.

  이번 성과는 높은 비용과 설비 부담으로 상용화에 어려움을 겪던 그린수소 생산 기술의 한계를 극복할 계기가 될 것으로 주목된다.

  KIST 수소·연료전지연구단 헨켄스마이어디억 박사 연구팀은 기존 대비 낮은 알칼리 조건에서도 안정적인 성능을 유지하는 새로운 막 소재를 개발하는 데 성공했다. 이 막은 저농도 알칼리 환경에서도 수소 생산 성능을 유지하며, 장기간 사용 시에도 성능 저하를 방지하도록 설계되었다. 특히, 높은 온도 조건에서도 안정성을 유지하고 수소와 산소를 효과적으로 분리하여 안전 기준을 충족했다.

  이번에 개발된 막은 비교적 낮은 알칼리 조건에서도 이온 이동이 원활하여 기존 상용 막보다 높은 수소 생산 성능을 보였다. 이는 설비 운전 효율을 높이고 전력 소모를 줄이는 동시에 막 교체 주기를 늘려 유지보수 부담을 완화할 수 있게 한다. 결과적으로 그린수소 생산 설비의 초기 투자비와 운영비를 동시에 낮추어 생산 경제성을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

  연구팀이 개발한 ‘저알칼리 이온 용해막 수전해’ 방식은 하나의 막으로 다양한 수전해 시스템에 적용이 가능해 설비 운영의 유연성을 높인다. 현재 수전해 핵심 막 소재 시장은 미국, 캐나다, 유럽 기업들이 주도하고 있는 상황에서, 이번 기술 개발은 핵심 소재의 국산화와 수입 대체 효과를 가져올 것으로 전망된다. 나아가 수소 생산국가에 기술을 수출하여 우리나라의 그린수소 산업 기술 경쟁력과 산업 위상을 높이는 데 기여할 것으로 기대된다.

  헨켄스마이어디억 박사는 "그동안 성능, 안정성, 비용 사이에서 선택의 한계가 있었던 수전해 기술에 새로운 개선 방향을 제시했다"며, "이번 연구가 그린수소 생산 비용을 낮추고 한국이 수전해 기술 경쟁력을 확보하는 데 도움이 되기를 바란다"고 밝혔다.

  본 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 EU H2020사업으로 수행되었으며, 연구 성과는 국제 학술지 'Nature Energy'에 게재됐다.

  저알칼리 이온 용해막 수전해(Low Alkalinity Ion Solvating Membrane Water Electrolysis, LA ISMWE). KOH 전해질 기반 알칼리 수전해 시스템으로, 재생에너지를 사용하여 그린수소(green hydrogen)와 산소를 생성한다. 본 연구에서 개발된 이온 용해막(ISM, Ion Solvating Membrane)이 양극과 음극을 분리한다./ KIST 제공

  LA ISMWE(본 연구), ISMWE, AWE, AEMWE의 운전 범위 및 막의 전도도와 저항알칼리 수전해(AWE, Alkaline Water Electrolysis)에선 다공성 Zirfon 분리막과 4–7 M KOH 전해질을 사용한다. 알칼리 음이온교환막 수전해(AEMWE, Alkaline Anion Exchange Membrane Water Electrolysis)는 조밀한 고분자 막을 사용하며, 최대 1 M KOH 까지의 농도를 사용한다. ISM은 meta-PBI 기반 ISM은 AWE와 경쟁할 수 있다. 본 연구에서 개발된 신규 ISM은 AWE 운전 범위에서 높은 전도도를 보일 뿐만 아니라, AEMWE 범위에서도 탁월한 전도도를 나타내며 세계 수준에 도달한다. 응용을 위해서는 저저항(low resistance)이 중요하며(저항 = 두께/전도도), 본 연구에서 개발된 ISM은 비교 대상 분리막보다 저항이 낮다./KIST 제공

  LA ISMWE(본 연구), ISMWE, AWE, AEMWE의 운전 범위 및 막의 전도도와 저항알칼리 수전해(AWE, Alkaline Water Electrolysis)에선 다공성 Zirfon 분리막과 4–7 M KOH 전해질을 사용한다. 알칼리 음이온교환막 수전해(AEMWE, Alkaline Anion Exchange Membrane Water Electrolysis)는 조밀한 고분자 막을 사용하며, 최대 1 M KOH 까지의 농도를 사용한다. ISM은 meta-PBI 기반 ISM은 AWE와 경쟁할 수 있다. 본 연구에서 개발된 신규 ISM은 AWE 운전 범위에서 높은 전도도를 보일 뿐만 아니라, AEMWE 범위에서도 탁월한 전도도를 나타내며 세계 수준에 도달한다. 응용을 위해서는 저저항(low resistance)이 중요하며(저항 = 두께/전도도), 본 연구에서 개발된 ISM은 비교 대상 분리막보다 저항이 낮다. /KIST 제공

  ■ 용어 설명

  ㆍ수전해(Water Electrolysis, WE): 전기를 이용하여 물을 수소와 산소로 분해하는 과정입니다. 재생에너지 전기로 생산되는 수소를 '그린수소'라고 부르며, 화석연료 없는 미래를 달성하는 중요한 요소로 여겨집니다.

  ㆍ이온 용해막(Ion Solvating Membranes, ISM): 전해질 용액을 흡수하는 막으로, 흡수된 용액은 고분자 사슬 사이에 존재하며 전해조 환원극에서 산화극으로 수산화이온(OH⁻)을 전달하는 역할을 합니다.

  ㆍ폴리벤즈이미다졸(Polybenzimidazole, PBI): 열적으로 안정한 고분자 소재로, 소방관용 방호복 제작에도 사용됩니다. PBI는 알칼리 용액에 담가 활성화 시키면 전도성을 띠게 되며, 고분자 사슬 사이 공간으로 물과 KOH가 흡수되어 전도성을 갖게 만듭니다.

  출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)