거대 기공을 포함하는 음이온 교환 막 수전해용 케소드 전극 및 이의 제조방법

발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 고비용의 귀금속 촉매: 고효율 양이온 교환막 수전해 기술은 이리듐, 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매를 사용해야 해 그린수소 생산 단가를 높이는 주된 요인이 됩니다.

• 낮은 촉매 활성: 비귀금속 촉매를 사용할 수 있는 음이온 교환막 수전해 기술은 수소 발생 반응에서 귀금속 촉매 대비 촉매 활성이 현저히 낮아 효율이 떨어집니다.

• 비효율적인 전극 구조: 기존 전극은 촉매 입자가 빽빽하게 쌓인 구조로, 촉매의 실제 활성점을 막아 이용률이 저하되고 반응물과의 접촉이 어렵습니다.

• 물질 전달의 한계: 기존 전극 구조에서는 생성된 수소나 산소 기체가 원활하게 배출되지 못하고, 이는 오히려 촉매 활성을 저하시키는 추가적인 원인이 됩니다.

기술의 필요성

• 촉매 활성점과 반응물의 접촉을 극대화하기 위해 다공성이 높은 새로운 구조의 전극 개발이 필요합니다.

• 생성된 기체가 원활하게 배출되어 촉매 활성 저하를 막고, 전체 수전해 효율을 획기적으로 높일 수 있는 촉매 기술이 시급합니다.

구현 방법

기술의 원리

• 핵심 구조: 2개 이상의 탄소나노튜브(CNT) 어레이를 수직으로 교차 적층하여 '탄소나노튜브 어레이 적층 구조체'를 형성합니다.

• 이중 기능 구현: 이 구조는 탄소나노튜브의 높은 전기 전도도로 에너지 손실을 줄이는 동시에, 70~300nm 크기의 거대 기공을 통해 생성된 기체의 빠른 배출을 가능하게 합니다.

• 촉매 활성 극대화: 격자 형상의 다공성 구조 위에 촉매 입자를 도입함으로써, 반응물과 촉매 활성점의 접촉을 극대화하여 촉매 효율을 획기적으로 높입니다.

구체적인 구현 방법

1. 1단계 (어레이 추출 및 1차 적층): 탄소나노튜브 포레스트에서 제1 탄소나노튜브 어레이를 추출하여 베이스 기판(예: 스테인레스 스틸) 위에 적층합니다.

2. 2단계 (수직 교차 적층): 제2 탄소나노튜브 어레이를 추출하여 1차 적층된 어레이와 수직 방향으로 교차하여 쌓습니다.

3. 3단계 (다층 구조체 제조): 원하는 두께(5~30층)가 될 때까지 2단계 과정을 반복하여 거대 기공을 갖는 다층의 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체를 완성합니다.

1. 4단계 (촉매 도입): 완성된 구조체에 귀금속(예: 백금) 또는 비귀금속(예: NiFeOx) 촉매 입자를 포함하는 잉크를 도포하여 최종 케소드 전극을 제조합니다.

기술의 장점

• 높은 촉매 활성: 동일 촉매를 사용한 기존 전극 대비 -10mA/㎠ 기준 과전압이 5% 이상 낮아져 더 적은 에너지로 수소를 생산할 수 있습니다.

• 극대화된 활성 면적: 귀금속 촉매(백금) 도입 시, 기존 방식 대비 3배 이상 높은 0.731 ㎡/g의 전기화학적 활성 면적(ECSA)을 확보하여 촉매 이용률을 극대화합니다.

• 낮은 내부 저항: 탄소나노튜브의 우수한 전기전도도와 구조적 특성으로 기존 전극 대비 최소 20% 이상 낮은 옴 저항을 나타내 에너지 손실을 줄입니다.

• 원활한 기체 배출: 70~300nm 크기의 거대 기공을 통해 수소 기체를 신속하게 배출하여(기공률 77.3%) 고전류 밀도에서도 안정적인 성능을 유지합니다.

• 뛰어난 성능 및 내구성: 단일 셀 테스트에서 기존 전극 대비 최대 2.5배 높은 전류 밀도를 보이며, 40시간 이상의 장기 내구성 테스트에서도 성능 저하 없이 안정성을 입증했습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구는 본 발명에 따른 '거대 기공을 포함하는 탄소나노튜브 어레이 적층 구조체' 기반 케소드 전극(제조예)이, 기존 방식인 촉매 나노입자를 단순 도포한 전극(비교예)에 비해 물리적, 전기화학적으로 우수한 특성을 갖는지 비교 검증하는 것을 목적으로 합니다.

실험 방법 및 과정

1. 전극 제조: (제조예) SUS 박판 위에 탄소나노튜브 어레이를 10층으로 수직 교차 적층하고 NiFeOx 또는 백금(Pt) 촉매 잉크를 도입하여 전극(NiFeOx_CNTS, Pt_CNTS)을 제조했습니다.

2. 비교 전극 제조: (비교예) SUS 박판에 이오노머가 포함된 NiFeOx 또는 백금 촉매 잉크를 스프레이 코팅하여 비교 전극(NiFeOx_NP, Pt_NP)을 제조했습니다.

3. 물리적 특성 분석: 주사전자현미경(SEM)으로 전극 표면 구조를 관찰하고, 수은 기공 측정기로 기공 분포와 기공률을 분석했습니다.

4. 전기화학적 성능 평가: 3전극 시스템과 음이온 교환막 수전해 단일 셀 테스트를 통해 과전압, Tafel 기울기, 전기화학 활성면적(ECSA), 옴 저항, 내구성 등 핵심 성능 지표를 측정하고 비교했습니다.

실험 결과

실험 결과, 본 발명에 따른 탄소나노튜브(CNT) 적층 구조를 적용한 전극(제조예)이 모든 핵심 성능 지표에서 기존 방식의 전극(비교예)보다 월등한 성능을 보였습니다.

특히 백금(Pt) 촉매를 적용했을 때, 전기화학적 활성 면적(ECSA)이 3배 이상 크게 증가하여 촉매 효율이 극대화되었음을 확인했습니다.

과전압 및 Tafel 기울기 측정 결과, 제조예 전극은 비교예보다 낮은 과전압을 기록하여 더 적은 에너지로 수소 발생 반응을 일으킬 수 있음을 입증했습니다.

또한, 옴 저항은 비교예 대비 최소 20% 이상 낮게 측정되어, 전극 내 전자 수송이 원활하고 에너지 손실이 적음을 시사합니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 고효율 그린수소 생산 장치: 본 기술을 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 장치의 핵심 캐소드 전극으로 적용하여 수소 생산 효율을 극대화할 수 있습니다.

• 비귀금속 촉매 기반 수전해 시스템: 니켈, 철 등 저렴한 비귀금속 촉매의 성능을 극대화하는 플랫폼으로 활용하여 가격 경쟁력을 갖춘 고성능 수전해 시스템을 구축할 수 있습니다.

• 차세대 전기화학 시스템: 수전해뿐만 아니라 연료전지, CO2 전환, 질소 환원 등 기체 확산 및 물질 전달이 중요한 다양한 전기화학 반응 장치의 고성능 전극 소재로 응용 가능합니다.

기대효과

• 그린수소 생산 단가 절감: 고가의 귀금속 촉매 사용량을 줄이거나 저렴한 비귀금속 촉매의 효율을 높여, 그린수소의 생산 비용을 획기적으로 낮출 수 있습니다.

• 에너지 효율 증대: 낮은 과전압과 내부 저항을 통해 전기 에너지를 수소 에너지로 전환하는 효율을 높여 에너지 손실을 최소화하고 국가적 에너지 효율에 기여합니다.

• 수전해 기술 상용화 촉진: 높은 성능과 안정성을 바탕으로 차세대 음이온 교환막 수전해 기술의 상용화를 앞당기고, 수소 경제 활성화 및 탄소 중립 목표 달성에 기여할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

그린수소 시장은 탄소중립 시대의 핵심 동력으로 폭발적인 성장이 예상됩니다. 전 세계 수소 생산 시장은 2020년 1,296억 달러에서 연평균 9.2% 성장하여 2025년 2,014억 달러에 이를 것으로 전망됩니다. 특히 본 기술과 직접적으로 관련된 글로벌 그린수소 시장은 2020년 3억 2,900만 달러에서 연평균 58%라는 경이로운 성장률을 기록하며 2026년 43억 7,330만 달러 규모로 급성장할 것으로 예측됩니다.

• 이온 교환막 시장: 탈탄소 에너지 전환의 핵심 부품인 이온 교환막 시장은 연평균 9.9% 성장하여 2035년까지 29억 달러를 초과할 것으로 예상됩니다. (출처: IDTechEx)

• 장기 전망: 2050년경 세계 수소 수요는 5억 4천만 톤으로 전체 에너지 수요의 20%를 차지하며, 약 2조 5천억 달러의 시장 가치와 3천만 개 이상의 일자리를 창출할 것으로 기대됩니다. (출처: 가스신문, INU)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

음이온 교환막 수전해(AEMWE) 기술은 차세대 기술로 아직 초기 시장 형성 단계에 있지만, 기술 선점을 위한 글로벌 기업들의 경쟁이 치열합니다. 독일, 이탈리아, 이스라엘 등 유럽 기업들이 상용화 및 기술 개발을 주도하고 있으며, 국내 기업들도 상업화를 목표로 빠르게 추격하고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 강력한 정책 지원: 전 세계 주요국들이 2050 탄소중립 목표 달성을 위해 그린수소 관련 R&D, 인프라 구축에 대규모 투자를 진행하고 있어, 기술 개발 및 시장 확대에 강력한 동력으로 작용합니다.

2. 생산 비용 하락에 따른 경제성 확보: 재생에너지 발전 단가 하락과 수전해 기술의 발전으로 그린수소 생산 비용이 2030년까지 크게 낮아질 전망이며, 이는 수소 경제의 본격적인 확산을 이끌 것입니다.

3. 전방 산업의 수요 확대: 수소차, 수소 선박 등 수송 분야와 발전, 철강, 화학 등 산업 분야에서 친환경 수소에 대한 수요가 폭발적으로 증가하고 있어, 고효율 수소 생산 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있습니다.