친환경 수소 생산,

핵심소재 기술개발로 상용화 앞당긴다. 
 - 저비용, 고내구성 전극 제조를 위한 이리듐산화물 전해도금 기술 개발
 - 친환경 수소생산 및 신재생에너지 보급 확대 기반 기술로 응용 기대

 

전 세계적으로 기후변화문제에 대처하기 위한 방안의 하나로 수소전기자동차 등 친환경 자동차에 사용에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 수소 연료는 대부분 천연가스 등 화석연료를 사용하여 생산되고 있는 실정인데, 이에 대한 대안으로 친환경  수소를 생산할 수 있는 물 전기분해 기술에 대한 관심이 커지고 있다. 최근 국내 연구진이 수소를 생산할 수 있는 친환경 기술인 물 전기분해 장치의 핵심 소재 기술을 개발했다고 밝혔다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 연료전지연구센터 장종현 박사팀은 전해도금을 통해 이리듐산화물을 다공성 금속지지체에 코팅하는 전극 기술을 개발했다. 이 기술은 전기화학적 수소 생산 성능과 내구성이 우수하여, 귀금속 촉매 사용량 저감 및 전극 제조 공정 단순화의 측면에서 가격 경쟁력 확보가 가능할 것으로 전망된다.

대용량, 장기간용 에너지저장장치(ESS)로 물 전기분해 기술을 적용하여 잉여전력을 수소로 저장하는 방식이 주목 받고 있다. 하지만, 물 전기분해 기술이 상업적 경쟁력을 확보하기 위해서는 재료 및 제조 공정 측면에서 비용 저감과 성능 증대를 동시에 실현할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다. 기존의 기술은 분말을 물리적으로 도포하는 방식으로 귀금속 촉매 사용량(1~5 mg/cm2)이 많으며 보호 코팅막 제조가 필요했던 단점이 있었던 반면, 이번에 개발한 기술은 소량의 이리듐산화물을 다공성 금속지지체에 코팅하는 간단한 방법으로서 소재 및 공정의 비용 저감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

<그림 1>전해도금으로 제조된 이리듐산화물 촉매/보호막 및 수소생산 전류 성능

KIST 장종현 박사팀은 기존의 단점을 해결하기 위해 이리듐산화물을 전해도금으로 다공성금속지지체에 코팅하여, 촉매와 지지체 보호막 역할을 동시에 수행하는 새로운 전극 제조 기술을 개발하였다. 연구진은 전해도금 조건을 조절하여 이리듐산화물의 담지량 및 미세구조를 제어할 수 있음을 확인하였으며, 소량의 이리듐산화물을 균일하게 형성하는 조건을 도출하였다. 개발된 전극으로 물 전기분해 장치를 제작하여 저감된 귀금속량 (0.4 mg/cm2)에서도 우수한 수소 생산 성능을 확인하였다, 또한, 이리듐산화물층이 물 전기분해 조건에서 다공성금속지지체의 보호막으로 활용될 수 있음을 전기화학적 분석 및 수소생산 안정성 평가로 확인하였다. 

<그림 2> 전해도금 시간에 따른 이리듐산화물 촉매/보호막의 미세구조 변화

KIST 장종현 박사는 “본 연구로 개발된 전해도금 이리듐산화물 촉매·보호막 기술은 반응 활성화와 부식 방지의 두 가지 역할로 활용될 수 있으므로, 물 전기분해 장치의 귀금속 촉매 사용량 및 공정 비용 저감에 기여할 수 있을 것으로 전망된다. 이를 통해 청정 수소 생산 및 신재생에너지 보급 확대의 기반 기술 구축에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.” 고 밝혔다.

 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 산업통상자원부(장관 백운규) 산업기술혁신사업으로 수행되었으며, 연구결과는 촉매 분야의 국제학술지 ‘Applied Catalysis B: Environmental’(IF : 9.446, JCR 분야 상위 2.00%) 최신호(온라인 ‘17.12.16)에 게재되었다.

 

 * (논문명) Electrodeposited IrO2/Ti electrodes as durable and cost-effective
   anodes in high-temperature polymer-membrane-electrolyte water electrolyzers
   - (제1저자) 한국과학기술연구원 최승회 박사(Post-Doc.)
   - (교신저자) 한국과학기술연구원 장종현 박사(책임연구원)

 

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독일 잘란트 대학과 공동 운영을 통해 에너지 전환 및 저장 분야
  한-독 연구협력 및 기술교류 지원

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)의 독일 현지법인 KIST 유럽연구소(KIST 유럽, 소장 최귀원)는 4월 24일(월)(현지시간) 독일 잘란트 대학(University of Saarland)과 공동으로 잘란트 대학의 두드바일러(Dudweiler) 캠퍼스 내 ‘지속가능 전기화학 기술이전센터(Transfercentre Sustainable Electrochemistry, TSE)’를 개소하였다. 동 센터는 KIST 유럽과 잘란트 대학의 공동연구 시설 형태로 운영되며, 국내‧외 연구자 20여명 및 연구그룹들이 협력하여 전기화학기술에 기반한 대용량 에너지 저장기술과 연료전지 관련 연구를 수행할 예정으로 잘란트 대학의 롤프 헴펠만(Rolf Hempelmann) 교수가 기술관련 책임자 역할을 맡게 되었다.

 

그림 1. 지속가능 전기화학 기술이전센터 두드바일러 캠퍼스 (내부 모습)

 

신재생에너지는 외부 환경의 조건에 따라서 전력량이 변동하므로, 전력에너지원을 신재생에너지로 전환하기 위해서는 대용량 에너지 저장시스템이 반드시 필요하다. 이러한 한계 상황을 극복하기 위하여 지속가능 전기화학 기술이전센터에서는 한국과 독일의 연구진들이 친환경적이고 대용량 에너지저장에 적합한 레독스 흐름전지, 에너지 밀도가 높고 중소형 에너지저장에 적합한 리튬이온전지, 그리고 각각의 장점을 결합한 리튬이온 하이브리드 흐름전지에 대한 연구를 진행할 예정이다. 동 센터는 그 밖에도 전기화학기술을 이용한 합성 및 변환, 기능성 재료 개발, 생화학 분석 및 센서 개발 등을 연구 및 한-독 산학연과의 협력, 교육과 기술이전 과제들을 수행할 예정이다. 헴펠만 교수는 “기술이전센터 설치의 궁극적인 목표는 잘란트 대학과 KIST 유럽이 공동으로 개발한 연구 결과를 에너지 또는 친환경 관련 전기화학 업종의 중소기업에 제공하여 제품 생산을 지원하는 것”이라고 밝혔다. KIST 유럽 최귀원 소장은 축사를 통해 “기술이전센터를 통해 양국 에너지 전환 및 저장 분야에 있어 지속적인 연구협력이 가능하고, 동 센터에서 수행 예정인 공동연구는 양국 에너지 전환 및 저장 분야 기술발전에 크게 기여할 것이다”라고 센터 설립의 의의를 강조하였다. 

그림 2. 지속가능 전기화학 기술이전센터 KIST유럽 실험실 (내부 모습)

KIST 유럽과 잘란트 대학은 1996년 공동연구에 대한 MOU를 체결한 이후, 2007년부터 Saarbridge(자브릿지) 공동연구 프로젝트를 수행하였다. 2015년에는 전기화학분야의 연구협력을 위한 공동실험실(Joint Lab.)을 KIST 유럽 내에 설치하였고, 이를 발전시켜 ‘지속가능 전기화학 기술이전센터’를 개소하게 되었다. KIST 유럽과 잘란트 대학은 다수의 독일 정부 과제(DFG)를 공동 수행하였고, 연구인력 교류 및 한-독 복수학위제(Dual degree) 등 다양한 협력을 진행하고 있다.

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