초록 ▼

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
⚪ 본 연구에서는 고가의 과불소계 전해질막을 대체할 수 있는 탄화수소계 이온교환 전해질막, 고가의 이리듐 사용량을 낮출 수 있는 ZrON 지지체 Ir 담지촉매를 개발 적용하여 상용 소재 대비 2∼3배의 고전류밀도 운전 조건에서의 고성능(효율 80%이상)을 확보하였음. 기존 알칼라인과 고분자전해질 수전해의 단점을 극복하고 고안전성을 갖는 고성능 이온교환막 막전극접합체 설계에 원천 소재 설계 및 제작 기술을 확보하였다는 데 의의가 있음.

⚪ 탄화수소계 양이온 막전극접합체는 동등

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
⚪ 본 연구에서는 고가의 과불소계 전해질막을 대체할 수 있는 탄화수소계 이온교환 전해질막, 고가의 이리듐 사용량을 낮출 수 있는 ZrON 지지체 Ir 담지촉매를 개발 적용하여 상용 소재 대비 2∼3배의 고전류밀도 운전 조건에서의 고성능(효율 80%이상)을 확보하였음. 기존 알칼라인과 고분자전해질 수전해의 단점을 극복하고 고안전성을 갖는 고성능 이온교환막 막전극접합체 설계에 원천 소재 설계 및 제작 기술을 확보하였다는 데 의의가 있음.

⚪ 탄화수소계 양이온 막전극접합체는 동등한 촉매 로딩량 기준 4.0 A/cm² 기준 82.7%(HHV), 6.0 A/cm² 기준 77.2%(HHV)의 고성능을 달성하여 상용 N115의 2.0 A/cm² 80.3%(HHV) 대비 2∼3배의 고밀도화를 달성할 수 있었음. 음이온 막 전극 접합체의 경우도 Fumatech 상용막 수준의 성능을 확보하였으나 양이온과 음이온 두 경우 모두 내구개선이라는 이슈를 해결하는 것이 필요함. 특히 전해질 막 수소 크로스오버에 따른 개구전압 및 저부하 영역에서의 전압강하화 혼합전위 발생에 따른 산소발생 전극의 열화 문제에 대한 개선이 필요함.

⚪ 후속연구로 수소 저투과 내구향상 막전극접합체의 강건(Robust)설계를 위해 Pt recombination layer가 적용된 강화복합막의 설계, 희생음극이 도입되어 reversal tolerant anode개념이 적용된 IrMeOx 양극의 개발이 요구된다. 위 개선을 통해 저부하에서의 수소투과 차단을 높여 차압운전 시 농도구배에 대한 열화 이슈를 해결할 수 있으며, 시스템 안전성 및 전류효율의 개선을 통해 재생에너지와의 연계 시 넓은 운전범위에서의 수전해 셀의 이용률을 보다 안정적이고 효율적으로 극대화시킬 수 있을 것으로 기대됨.

⚪ 외부과제로 수행 중인 티타늄 분말소결 확산체 연구결과와 접목 시켜 본 과제에서 최종으로 개발된 탄화수소계 전해질 기반 막-전극접합체를 (3-layer)를 최종 5-layer 구조로 최적 설계를 진행하여 KIER만의 원천소재 기술을 확보할 수 있음.

⚪ 최종적으로는 기존 수전해 스택 플랫폼 기술을 접목시켜 KIER의 소재가 100% 적용된 단위스택 검증을 통해 향후 기술이전을 통한 스케일-업 연구로 확대할 수 있음.

⚪ 본 연구를 통해 얻고자 하는 중점 성과물을 가지고 재생에너지와 안전하고, 효율적으로 연계가 가능한 스케일-업 수전해 기술에 대한 개발을 후속과제로 타진하여 수소경제로드맵에서 명시되어 있는 그린수소 생산 공급 목표(가격)를 달성할수 있게 단계별 용량과 효율 등을 높여나가고자 함.
- 현재 준비 중인 100 MW 규모로 2027년까지 새만금 재생에너지 단지에서 준비중인 그린수소 사업에 수요기업과 함께 참여하는 단계별 전략의 수립이 요구됨.
ㆍ 새만금 재생에너지 연계 대규모 수소생산 실증 사업1)에서는 수상 태양광 2.1GW, 서남해 해상풍력 2.4 GW를 이용하여 그린수소를 생산하는 데 필요한 재생에너지 연계 MW급 수전해 장치 실증을 계획하고 있음.
ㆍ 기존 그린수소 연구개발 실증사업 중 제주에서는 안전성 확보를 위해 ESS연계하여 1세대 알칼라인 수전해 기 (0.25 MW)를 기반으로 시스템을 구성하였으며,운전범위가 40∼100% 수준으로 한정되는 한계가 있음(∼'21).
ㆍ 동해에서는 수전해 기의 응답 특성 개선을 위해 1세대 알칼라인 (1 MW)와 2 세대 PEM (1 MW) 하이브리드 연계 시스템 구성 실증 사업이 2022년도 개발을 목표로 진행 중에 있음(’22).

⚪ [1단계] 개발소재 적용 고성능 수전해 스택 및 시스템 검증 (∼'23)
추진방법: 연구소/수요기업 협업개발, 주요사업
추진내용:
- 수전해 설비용량 150 kW급 실증 및 MW급 설계
- 핵심부품 효율 및 내구성 향상 기술 개발
- 이온교환막 기술 고도화/ 촉매 저가화 기술 개발
- 부하범위 0∼200% 확대, 셀 반응면적 300 cm²

⚪ [2단계] 수전해 용량확대(∼'25)
추진방법: 연구소/수요기업 협업개발, 외부 경쟁성 과제 참여
추진내용:
- 수전해 설비용량 150 kW급 실증 및 MW급 설계
- 핵심부품 효율 및 내구성 향상 기술 개발
- 이온교환막 기술 고도화/ 촉매 저가화 기술 개발
- 부하범위 0∼200% 확대, 셀 반응면적 2,000 cm²

⚪ [3단계] 개발 수전해 기술실증(∼'28)
추진방법: 정부과제 대규모 실증과제 추진
추진내용:
- 그린수소 실증 시스템 구축
- 수전해 설비용량 3 MW급 실증 및 5 MW급 설계
- 수전해 통합 운용시스템 최적화
- 미활용 재생에너지 활용 수소생산 실증
- 부하범위 0∼200% 확대, 셀 반응면적 2,000 cm² 이상

(출처 : 요약문 8p)

Abstract ▼

Ⅳ. Result and Recommendations
The developed in house MEAs showed high kinetic efficiency with lower loading of Ir catalyst under 3 times higher operating current density condition. The improvement on the ion exchanged MEA made by the significant interaction between electrodes and membrane. Howeve

Ⅳ. Result and Recommendations
The developed in house MEAs showed high kinetic efficiency with lower loading of Ir catalyst under 3 times higher operating current density condition. The improvement on the ion exchanged MEA made by the significant interaction between electrodes and membrane. However, we believe that the further improvement on the durability would be required on the design of polymer electrolyte membranes's properties, and thus improve the economics of water electrolyzer.

(source : Summary 11p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 11
• CONTENTS ... 12
• 목차 ... 13
• 그림목차 ... 15
• 표목차 ... 17
• 제 1 장 서 론 ... 19
• 제 1 절 기술의 개요 ... 19
• 제 2 절 기술개발의 필요성 및 타당성 ... 25
• 1. 기술적 측면 ... 25
• 2. 경제·산업적 측면 ... 25
• 3. 정책/ 공공·인프라 측면 ... 27
• 제 2 장 연구 개발 목표 및 추진 내용 ... 29
• 제 1 절 최종 목표 ... 29
• 1. 핵심기술별 연구내용 및 개발목표 ... 29
• 2. 평가방법: 1차년도(최종) ... 30
• 제 2 절 연구개발 추진 전략 및 체계 ... 31
• 1. SWOT분석 ... 31
• 2. 연구팀의 구성 ... 31
• 3. 수행방안 ... 33
• 제 3 장 핵심 기술별 연구 결과 ... 35
• 제 1 절 이온교환 수전해 전해질막 설계 ... 35
• 1. 양이온 교환막 ... 35
• 2. 음이온 교환막 ... 37
• 제 2 절 수전해 산소발생 담지 촉매 설계 ... 39
• 제 3 절 양이온교환막 기반 수전해 막-전극접합체 설계 ... 43
• 1. 전사조건 탐색 ... 43
• 2. 탄화수소 전해질막 셀 특성평가 ... 44
• 3. 탄화수소 전해질막 수소투과 특성평가 ... 46
• 제 4 절 음이온교환막 기반 수전해 막-전극접합체 설계 ... 49
• 1. 고활성·고안전성 신규 수전해 산소발생 촉매 개발 ... 49
• 2. 탄화수소 전해질막 셀 특성평가 ... 50
• 제 5 절 양자전산화학 기반 산소발생 이리듐 촉매 성능 예측 ... 54
• 1. 양자전산화학 기반 Ir 및 IrO₂ 표면 정의 ... 54
• 2. Ir 및 IrO₂의 산소생성 반응 메커니즘 규명 및 자유에너지 도표 ... 56
• 제 4 장 결 론 ... 59
• 참고문헌 ... 62
• 끝페이지 ... 63