박세규 교수(화학공학과) 연구팀, 충남대 김태근 교수팀, 미 PNNL Dr. Yuyan Shao팀과 함께 

고분자 전해질 수전해 전지용 다공성 전달전극 소재, 설계, 진단 논문 출간

- 고분자 전해질 수전해 전지용 다공성 전달전극 전반(산소발생촉매, 전극제조 및 설계, 다공성전달층, 고분자전해질, 수전해 전지 진단법) 심층 리뷰 -

- 화학공학/환경공학 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal에 에디터 초청 리뷰논문 (IF:13.4, JCR Rank: 3.7%) 게재 -

박세규 교수(화학공학과) 연구팀은 그린 수소 생산을 위한 고분자 전해질 수전해 전지의 핵심부품인 산소발생반응용 다공성전달전극의 소재, 설계 및 진단에 관한 초청 리뷰 논문을 충남대 김태근 교수 연구팀, 미 Pacific Northwest National Lab (PNNL) Dr. Shao, Yuyan 연구팀과 공동으로 작업했다.

산소발생반응용 다공성전달전극은 강산 및 높은 산화전위에서 작동되는 만큼, 수소생산효율 및 수전해전지 내구성향상에 필수적인 부품이며, 이를 구성하는 소재와 다공성전달전극의 설계, 이를 포함한 고분자 전해질 수전해 전지의 진단법은 향후 수전해 연구 및 개발자들에게 고급 수전해 장치개발 및 신뢰성 향상을 위해 반드시 고려해야 할 소재 선정 및 합성, 전극설계 및 제작, 전극 단독 또는 수전해전지의 진단을 통한 전지 내부의 문제점 및 구성요소별 열화현상 및 방지책에 대한 중요한 통찰력을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

광운대(현 ㈜리서스 대표) 조재우 박사, 광운대 화학공학과 박세규 교수, 충남대 Doan, Tuan Linh 박사, 충남대 김태근 교수, 미 PNNL Shao, Yuyan 박사

최근 고분자 전해질 수전해 전지를 활용한 수소생산은 높은 생산효율과 생산과정에서 유해한 물질을 배출하는 않는 등 다양한 장점으로 인해서 에너지 분야 관련 연구자들에게 많은 관심을 받고 있다. 고분자 전해질 수전해 전지에서 산소발생반응용 다공성 전달전극은 크게 산소발생반응촉매, 다공성 전달층, 고분자 전해질막으로 구성되어 있으며, 이는 수전해 스택의 성능과 수명에 핵심적인 역할을 한다. 본 연구에서는, 높은 산화전위와 낮은 pH의 조건에서 높은 활성과 안정성을 가질 수 있는 다양한 이리듐기반, 비이리듐 및 비귀금속 촉매들이 각 소재에 따라 달라지는 산소발생 메카니즘과 함께 소개된다.

이러한 산소발생촉매를 활용하여 촉매층을 형성하는 방식은 크게 전해질막에 도포하는 방식과 기재상에 도포하는 방식으로 나누어지며, 소재 및 도포방식에 따라 전극설계 및 제작방법이 맞춤형으로 설계되어야만 한다. 또한, 기재로 활용되는 다공성 전달층 역시 혹독한 운전조건에서 전류 집전체로서의 역할뿐만 아니라 반응물인 물과 생성물인 기체의 배출을 원활하게 하여 고분자 전해질 수전해 전지에서 물질전달 분극저항을 감소시킬 수 있는 소재선정과 전달층 설계 및 제작이 되어야 한다. 촉매층과 전해질막 또는 촉매층과 다공성 전달층과의 계면 역시 고분자 전해질 수전해 전지에서 전자 및 양성자 전달과 관련된 오믹저항을 줄이기 위해 계면공학적 설계가 수반되어야 한다. 이와 더불어, 다공성 전달전극의 진단법은 수많은 전기화학적 프로세스와 그에 따른 난제들을 파악하는데 필수적인 기술이다.

따라서, 다공성 전달전극 단독으로 전해질 용액에서 평가되는 확산전극(Diffusion Electrode)법, 부양전극(Floating Electrode)법, 변형회전전극(Modified Rotating Disk Electrode)법 등이 다양하게 제안되며, 발전되고 있다. 한편, 전해질막과 전극이 합체된 막전극접합체가 삽입된 고분자 전해질 수전해 단위전지를 활용한 분석법은 보다 실제적인 정보와 피드백을 얻을 수 있는 효과적인 방법이다. 단위전지를 활용한 방법으로는 전통적인 분극법, 전기화학 임피던스 분광법, 최근에 주목받고 있는 자기장분석 등이 여러 연구자들을 통해서 개발되고 있다. 본 연구는 최근 고분자 전해질 수전해 전지의 공학적 연구 및 진단법에 대한 개관을 살펴볼 수 있고, 향후 관련 연구 분야에서 신부품 및 시스템을 개발하는데 좋은 통찰력을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 이번 연구는 한국전력(경제적 고효율 AEMEC 기술개발), 한국연구재단 주관 중견연구(물과 공기로부터 암모니아 대량생산을 위한 고효율 촉매, 확산전극, 및 상온 전기화학 흐름반응기 스택개발) 및 한국에너지기술연구원(고성능 고안정성 PEM 수전해 전극 일체형 티타늄 소결 확산체 핵심기술개발), 2023년 교내 연구지원사업으로 수행되었고 충남대학교, 미 PNNL과의 협업 연구를 통해 연구 결과는 화학공학 및 환경공학 분야 연구 상위 5% 세계적 학술지인 엘스비어(Elsevier) 출판의 Chemical Engineering Journal (IF: 13.4, JCR rank: 3.7%)‘에 2025년 3월호에 “Porous transport electrodes for oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolysis cells: Materials, design, and diagnoses”의 제목으로 게재되었다.

고분자 전해질 수전해 전지에서 산소발생반응용 다공성 전달전극의 소재, 전극설계 및 이를 활용한 진단기술의 전반적 개념도

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)