일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2021.12.6

백화요란(百花燎亂)의 에너지 저장 기술
수전해 기술의 다크호스 ‘AEM형’
값싼 철이 고성능 촉매로

그린 수소를 생산하는 기술 가운데 그 동안 실용화에서 뒤처져 있던 음이온교환막 ‘AEM(Anion Exchange Membrane)’을 사용한 수전해(AEM형 수전해)는 촉매에 귀금속을 사용하지 않는다는 특징을 가지고 있다.

또한 지금까지의 과제를 해결할 수 있는 기술적인 돌파구가 등장해 성능이나 비용 측면에서 앞서고 있는 수전해 기술을 크게 뛰어넘을 가능성이 보이고 있어 빠르게 주목 받기 시작하고 있다. 국내에서도 AEM형 수전해 기술 개발을 추진하는 연구기관이 수 곳 있으며, 기업으로는 파나소닉이 추진하고 있다.

지금까지 기술적인 과제 때문에 채택이 확대되지 않았던 음이온교환막 ‘AEM’를 사용한 수전해에 대한 연구 개발이 활발해지고 있다.

AEM형 수전해 기술의 최대 메리트는 셀 스택의 촉매나 가스 확산층에 귀금속을 사용하지 않아도 된다는 점으로, 대폭적인 재료비 절감을 기대할 수 있다.

귀금속이 필수가 아닌 이유는 알칼리 환경이기 때문에 촉매의 산성 용해가 발생하지 않기 때문이다. AEM형 수전해의 셀은 PEM형과 같은 MEA 구조로, 전극 반응은 알칼리 수전해와 같으며 수산화물이온(OH^-)이 캐리어로 작용한다. 즉, PEM형과 알칼리 수전해를 조합한 방식이라고 할 수 있다.

AEM에는 주로 탄화수소계의 막이 사용된다. 현시점에서는 OH^-의 전도도를 높이기 위해 알칼리 수용액을 사용할 필요가 있다.

또한, AEM형에는 보조기기를 PEM형보다 간소화할 수 있다는 메리트도 있다. 예를 들어, 산업기술종합연구소 에너지환경영역 에너지절약연구부문 열유체시스템 그룹의 이토(伊藤) 연구그룹장이 개발한 AEM형 수전해 장치는 정수기와 물의 배관을 PEM형보다 간소하게 만들었다. 이토 연구그룹장은 이것을 200Kw급으로 대형화했을 경우, PEM형보다 제조 비용을 약 20% 낮출 수 있다고 전망하고 있다.

정수기의 간소화가 가능한 것은 PEM과 달리 양이온(Cationic) 사이트가 없기 때문이다. 나트륨이온(Na⁺)이나 칼슘이온(Ca²⁺) 등의 침입으로 인한 막의 열화(劣化)가 일어나지 않으며, 20µS/cm 정도의 불순물 혼합도 허용된다.

한편, 물의 배관의 간소화는 생산하는 H₂에 물이 거의 섞이지 않기 때문에 가능하다. 이를 통해 H₂ 측의 기액분리 탱크를 소형화할 수 있었고, 고인 물을 되돌리는 배관을 따로 마련하지 않아도 된다고 한다.

-- 도쿠야마(トクヤマ)의 AEM이 돌파구로 --
이러한 수많은 장점을 가지고 있는 AEM형이 지금까지 주목 받지 못했던 것은 2010년경 이전에는 실용 수준의 알칼리 내성을 가지고 있는, 박막의 AEM이 없었기 때문이라고 한다. 하지만 도쿠아먀가 2010년경 알칼리 환경에서도 실용적으로 충분한 내구성을 가진 AEM을 개발한 것을 계기로 개발 성과가 급증하기 시작했다.

2014년부터 AEM형 수전해 기술을 개발하고 있는 이토 그룹장은 “올해부터 공동 연구기관들이 급증, 6개 사 이상이 함께 진행하고 있다”라고 말한다.

-- 장치는 2.4kW급에서 1MW급으로 --
현재 AEM형 수전해 장치는 전세계에서 유일하게 독일의 인앱터(Enapter)가 처리 능력 2.4kW의 소형 제품을 판매하고 있다. 애노드 촉매에는 산화구리코발트(CuCoOx)를 사용하고 있으며, 캐소드 촉매와 가스확산층에도 비귀금속 재료를 쓰는 것으로 알려져 있다. 이 장치의 수전해 능력은 0.5Nm³/시, 효율은 4.8kWh/Nm³로, 현재의 PEM형 장치와 비교해도 높다.

내구성도 높아 3만시간 이상의 운전이 가능하다고 한다. 이것은 하루 12시간의 운전을 가정할 때 약 7년에 해당한다. 빌딩이나 마이크로그리드의 잉여 전력 저장에서의 실용 사례가 있다. 인앱터는 이 모듈을 440개 연결한 1MW급 컨테이너형 제품을 2022년 발표할 예정이다.

-- 산화이리듐을 뛰어넘는 철계 촉매 등장 --
AEM형 수전해는 보틀넥이었던 기술적 과제가 해결되어 세간의 주목을 받게 되면서 다음 가능성도 보이기 시작했다.

비귀금속 촉매를 사용하게 되면 기존의 IrO₂ 등과 같은 촉매보다 비용이 낮을 뿐만 아니라 높은 활성의 촉매를 사용할 수 있는 가능성이 있다.

도쿄공업대학 야마구치(山口) 교수 연구팀은 철과 칼슘을 이용한 CaFe₂O₄라고 하는 합금이 애노드 촉매로서 IrO₂보다 활성이 높았다고 발표했다.

전압 1.6V시의 CaFe₂O₄의 표면비 활성은 7.8mA/㎝²로, IrO₂의 5.5mA/㎝²를 상회했다. 기존 철계 촉매의 3.5배나 되는 놀라운 고활성의 이유는 금속 표면상의 철 3원자가 반응에 관여하는 특이한 메커니즘을 가지고 있기 때문이라고 연구팀은 추정하고 있다. 앞으로 이 촉매를 애노드에 사용한 MEA를 만들 계획이라고 한다.

연구팀은 전해질막 개발도 추진하고 있다. 올 4월에는 OH^-전도도가 높아 알칼리 용액을 사용하지 않고 순수한 물에서도 OH^-를 전도할 수 있는 막을 개발했다고 발표했다. “PEM형의 경우에는 아무래도 귀금속이 필요해 저비용화에는 한계가 있다. 향후 AEM형 기술 개발이 진행되면 대체될 가능성도 있을 것이다”(야마구치 교수)라고 한다.

-- 파나소닉, Ni-Fe계열에서 고효율 MEA --
파나소닉도 애노드 촉매로서 IrO₂보다 높은 활성의 Ni-Fe계 층상 복수산화물을 개발했다. 애노드 촉매로서 이 재료를 사용. 캐서드 촉매와 가스확산층에 백금(Pt) 담지 탄소를 사용해 MEA를 만들어 1.0A/cm²의 전류 밀도로 수전해한 결과, 74.7%의 전해효율을 나타냈다. 이것은 2020년 1월 시점에서 비귀금속 촉매를 포함한 MEA 가운데 가장 높은 전해효율이라고 한다.

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