전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2024.10 (p14-15)

알칼리 수전해로 PEM 초과할까
도시샤대학이 신촉매를 개발

이미 ‘시든 기술’로 개선의 여지가 작다고 생각되어 온 알칼리 수전해(AWE) 기술에서 브레이크스루가 있었다. 양성자교환막(PEM)형으로 불리는 방식을 크게 초과하는 수전해 효율을 실현할 가능성이 있다. 결국은 저렴한 그린 수소의 생산으로 이어진다. 또한 차세대 수전해 기술이라고도 불리는 음이온교환막(AEM)형 수전해에도 응용할 수 있다고 한다.

-- 자동차 회사의 기술자도 놀라다 --
이를 실현한 것은 도시샤대학 대학원 이공학연구과의 모리미쓰(盛満) 교수 연구실이다. 2024년 7월에 파시피코 요코하마에서 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)가 개최한 ‘NEDO 수소/연료 배터리 성과보고회 2024’에서 처음 발표했다. “일본의 주요 자동차 업체의 사람들도 이 성과를 보고 놀랐다”(모리미쓰 교수).

성과란, 수전해의 산소발생(OER) 극(애노드)에 이용하는 촉매 재료로, 비스무스(Bi)와 루테늄(Ru)을 주성분으로 하는 산화물 ‘BRO’를 베이스로 한 신촉매를 개발한 것이다. 지금까지 AWE에서는 니켈(Ni) 혹은 Ni와 철(Fe)의 화합물을 애노드의 촉매로서 주로 사용했었다.

Ni나 Fe계의 촉매는 PEM형에서 이용하는 산화이리듐(IrO2) 등의 애노드 촉매에 비해 저렴한 한편, 과전압이 큰 데다가 전류밀도를 높이려고 하면 과전압이 한층 더 급격하게 상승하는 과제가 있었다.

모리미쓰 교수 연구실은, 2021년경부터 이 AWE 전용 애노드에 이용하는 촉매의 개발에 착수하고 있으며, 지금까지는 나트륨(Na)을 첨가한 BRO(NBRO)나 망간(Mn)을 첨가한 BRO(MBRO)를 개발해 왔다. 모두 ‘파이로클로로(Pyrochlore) 구조’라는, A2B2O7(A 및 B는 금속원소)라는 결정 구조를 기본으로 하는 산화물 재료에 속한다.

이번의 신촉매는 “지금까지 공기 배터리 전용으로 개발한 것을 AWE에 전용해 본 성과다”(모리미쓰 교수). 이것도 파이로클로로 구조의 BRO의 일종이지만 첨가 재료는 현시점에서 공개하지 않고 있다.

-- 과전압을 0.1V 이하로 --
신촉매의 특징은 (1) 반응을 개시했을 때의 과전압이 0.1V 이하로 낮다, (2) 전압을 높였을 때의 전류의 증가방식(타펠 기울기)이 31mV/dec로 극히 가파르다, (3) 6mol/L과 같은 알칼리성이 강한 수산화칼륨(KOH) 용액 속에서도 이용할 수 있다, (4) 온도가 25℃로 높은 촉매활성을 가지기 때문에 AWE 시스템 운전 시의 온도를 지금까지의 60~80℃에서 크게 낮출 수 있다, (5) 필요한 촉매량이 적어도 된다. 특히 Ru는 0.06mg/cm2이면 된다는 점을 들 수 있다.

참고로 ‘타펠 기울기(Tafel slope)’는 수전해 시의 인가 전압을 높여갈 때, 전류밀도를 10배로 하는데 필요한 인가 전압의 증가 폭을 말한다. 단위는 'mV/dec'으로, dec은 전류밀도 10배를 의미한다. 이 타펠 기울기의 값이 작을수록 전류-전압(IV) 곡선의 기울기가 급하다. 즉 전류밀도 증가 시의 과전압의 증가폭이 적은 것을 의미한다.

-- 수전해의 소비 전력이 낮다 --
(1)은 “다른 애노드 전용 촉매로는 보고된 예가 없는 ‘혁신적 기술’이다”(도시샤대학). 실제로 일반적인 Ni-Fe계 촉매는 0.3V 정도로, 그보다 크게 낮다.

(2)의 타펠 기울기에 대해, 일반적인 PEM형 수전해의 이리듐(Ir) 촉매의 경우는 60mV/dec으로, 신촉매는 PEM형 수전해를 초과했다. 지금까지의 촉매 재료였던 NBRO의 43mV/dec에 대해서도 크게 개선했다.

(1)과 (2)의 결과를 통해 신촉매는 지금까지의 Ni계 촉매에 비해 전해 전압을 15%삭감할 수 있다고 한다. 이는 수전해 시 소비전력이 15% 저감되는 것을 의미하며, 수전해 효율이 크게 향상되게 된다.

-- 내구성이나 운용 비용이 낮다 --
(3)은 내구성, 특히 내부식성이 높다는 것을 의미하며, (4)의 가온(加温)이 불필요한 운전과 함께 수전해 장치의 운용/보수 관리 비용을 낮출 수 있다.

-- Ru의 가격은 Ir의 약 1/10 --
(5)는 고가의 Ru를 사용하는 것의 단점을 억제한다. 후루야금속에 따르면, 현재 Ru의 가격은 2240엔/g. 사용량이 0.06mg/cm2이면 전해셀 1m2에서는 1344엔이 된다.

또한 PEM형의 애노드에서 이용하는 IrO2도 최근에는 사용량이 Ir 상당으로 0.1mg/cm2 전후까지 줄여왔다. 다만, Ir의 가격은 후루야금속에 따르면 2만 3900엔/g으로 Ru의 약 10배이며, 전해셀 1m2의 Ir은 2만 3900엔으로 비싸다.

-- AWE나 AEM이 석권할 가능성 --
그동안 AWE에서는 전류밀도가 낮고 과전압이 크다는 단점이, 촉매가 저렴하다는 장점을 상쇄했지만 이번에 개발한 신촉매로 이 같은 단점은 해소될 것 같다. 실용화가 된다면 수전해 기술은 AWE에서 PEM형으로 이행하는 지금까지의 흐름이 ‘역전’될 가능성도 있을 것 같다.

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