고려대, 차세대 수전해 멤브레인 개발… 그린수소 생산 효율 높인다

△ 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 시스템과 TFA 멤브레인의 구성

고려대학교(총장 김동원) 화공생명공학과 유승호 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 이소영 박사 연구팀과 함께, 차세대 수소 생산 기술인 ‘음이온 교환막 수전해(AEMWE)’의 성능과 내구성을 동시에 높일 수 있는 새로운 다층 멤브레인 구조를 개발했다.

*멤브레인 구조: 수전해 장치 내 수소와 산소를 분리하며 이온만 선택적으로 이동하도록 하는 얇은 막 구조

*음이온 교환막 수전해(AEMWE): 수산화이온이 이동하는 특수 막을 이용해 물을 분해하는 수전해 기술

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials(IF=21.8)’ 온라인에 2025년 12월 10일 게재됐다.

*논문명: A highly durable thin-film assembled membrane for efficient gas crossover suppression in anion exchange membrane water electrolysis

*DOI: 10.1007/s42114-025-01562-0

*URL: https://doi.org/10.1007/s42114-025-01562-0

수전해 기술은 물을 전기로 분해해 고순도 수소를 생산할 수 있는 핵심 기술이다. 기존 알칼라인 수전해(AWE) 방식은 저렴한 소재를 사용할 수 있지만, 구조적인 특성으로 수소와 산소가 섞일 수 있어 효율과 안전성에 한계가 있었다. 이를 개선한 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 기술이 주목받고 있으나, 높은 온도와 강한 알칼리 환경에서 안정적으로 작동하기 어렵다는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 기능을 분리한 다층 구조의 멤브레인을 설계했다. 가운데에는 기계적 지지 역할을 하는 지르폰(Zirfon) 분리막을 두고, 양쪽에는 서로 다른 기능의 고분자 막을 결합한 TFA(Thin Film Assembled) 구조를 적용했다. 한쪽 막은 강한 알칼리 환경에서도 안정적인 구조를 유지하도록 설계됐고, 다른 한쪽 막은 이온 이동을 원활하게 해 수전해 반응 효율을 높였다. 

*지르폰(Zirfon): 알칼라인 수전해 시스템에서 널리 사용되는 다공성 분리막 소재

*TFA(Thin Film Assembled): 여러 기능을 가진 얇은 막을 층층이 결합해 성능을 높이는 막 설계 방식

실험 결과, 새로 개발된 멤브레인은 기존 대비 수소 가스 투과도를 10배 이상 낮춰 수소와 산소가 섞이는 현상을 크게 줄였다. 또한 높은 전류에서도 안정적인 수소 생산 성능을 유지했으며, 저렴한 비귀금속 촉매를 사용한 경우에도 높은 성능을 보였다. 특히 총 1,670시간 이상의 장기 운전에도 안정적으로 작동해 우수한 내구성을 입증했다.

이번 연구는 수전해 기술에서 동시에 해결하기 어려웠던 가스 차단성, 이온 전도성, 기계적 안정성을 함께 개선했다는 점에서 의미가 있다. 이 기술은 향후 대규모 그린수소 생산 시스템과 재생에너지 기반 수전해 설비 개발에 중요한 기반이 될 것으로 기대된다.

연구팀은 “AEMWE 기술의 상용화를 위해서는 고성능·고내구성 고분자막 개발을 넘어 기능을 분리·복합화한 설계 전략이 중요하다”라며 “이번 연구는 고전류 조건에서 장기 안정 운전에 성공함으로써 차세대 그린수소 생산 기술의 상용화 기반을 제시했다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국과학기술연구원 주요사업, 국가과학기술연구회 지원사업 및 한국연구재단 연구과제의 지원으로 수행됐다.

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 △ (왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과 유승호 교수(교신저자), KIST 수소 연료전지연구단 이소영 책임박사(교신저자), 고려대 화공생명공학과 최영빈 석사연구원(제1저자), KIST 수소 연료전지연구단 이주연 박사후연구원(제1저자)