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Jul 21, 2023

녹색수소 생산 비용 절감 기술 개발

그린수소 생산비용을 절감할 수 있는 기술을 개발합니다. 녹색

그린수소 생산비용을 절감할 수 있는 기술을 개발합니다.

화석연료를 사용하지 않고, 이산화탄소를 배출하지 않고 수소를 생산하는 그린수소는 최근 탈탄소경제 실현을 위한 노력의 일환으로 그 중요성이 더욱 커지고 있습니다.

그러나 녹색수소를 생산하는 물전기분해장치는 생산단가가 높기 때문에 녹색수소의 경제성은 그다지 높지 않았다. 그러나 고분자 전해질막 물 전기분해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희소금속의 사용량을 획기적으로 줄이는 기술 개발로 생산단가를 낮출 수 있는 길이 열리고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 수소 및 연료전지연구센터 박현석·유성종 박사 연구팀이 백금과 연료전지의 양을 획기적으로 줄일 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다. 고분자 전해질막 물 전기분해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 이리듐을 사용하여 기존 장치와 동등한 성능과 내구성을 확보하였습니다.

특히, 연구진은 백금과 금을 전극 보호층으로 많이 사용하는 구조를 유지하면서 이리듐 촉매의 양을 줄이는 데 중점을 두었던 기존 연구와 달리 전극 보호층의 귀금속을 저렴한 질화철로 대체했다. 넓은 표면적과 그 위에 소량의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하여 전기분해 장치의 경제성을 크게 높였습니다.

고분자전해질막 물 전기분해장치는 태양광 등 신재생에너지로 공급되는 전기를 이용하여 물을 분해하여 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 철강, 화학 등 다양한 산업에 수소를 공급하는 역할을 한다. 또한, 재생에너지를 수소에너지로 저장하는 것은 에너지 전환에 유리하므로, 녹색수소경제 실현을 위해서는 이 장치의 경제성을 높이는 것이 매우 중요하다.

일반적인 전기분해 장치에는 수소와 산소를 생산하는 전극이 2개 있는데, 부식성이 높은 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 전극 표면에 보호막으로 금이나 백금을 1 mg/cm2 코팅해 두었다. 내구성과 생산 효율성을 확보하기 위해 층을 형성하고 그 위에 이리듐 촉매를 1~2mg/cm2 코팅합니다. 이러한 전기분해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 낮아 녹색수소 생산 장치의 광범위한 채택을 방해하는 주요 요인입니다.

연구팀은 물 전기분해의 경제성을 높이기 위해 고분자전해질 수소제조장치에서 산소전극 보호층으로 사용되는 희소금속인 금과 백금을 저렴한 질화철(Fe2N)로 대체했다.

이를 위해 연구팀은 전기 전도도가 낮은 산화철을 전극에 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 전환해 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 연구팀은 질화철 보호층 위에 이리듐 촉매를 약 25나노미터(nm) 두께로 균일하게 코팅하는 공정도 개발해 이리듐 촉매의 양을 0.1mg/cm2 이하로 줄여 수소 생산량이 높은 전극을 개발했다. 효율성과 내구성.

개발된 전극은 기존 상용 전기분해 장치와 유사한 성능을 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속 질화물로 대체하고, 이리듐 촉매의 사용량을 기존 수준의 10%로 줄인다. 또한, 새로운 구성품을 적용한 전기분해 장치를 100시간 이상 가동해 초기 안정성을 검증했다.

박현석 박사