PEM 전해조: 소재 혁신을 통해 친환경 수소를 발전시키다

증가하는 소비자 및 규제 압력 속에서 전 세계 산업은 탄소 배출을 줄이고 지속가능성 목표를 달성할 방법을 찾고 있습니다. 풍력과 태양광 같은 재생에너지원의 도입은 분명 도움이 되지만, 전기화만으로는 다음과 같은 감축이 어려운 부문을 상쇄하기에 충분하지 않습니다:

• 철강 생산
• 화학
• 정유
• 대형 운송 및 해운
• 장주기 에너지 저장

이들 산업에는 청정 연료도 필요하지만, 오늘날 생산되는 수소의 대부분은 여전히 화석연료 기반 원료에서 만들어집니다.

이 지점에서 전기분해를 통해 물을 수소와 산소로 분해해 만드는 친환경 수소가 저탄소 미래로 가는 가장 유망한 경로 중 하나로 부상했습니다. 국제에너지기구(IEA)의 Global Hydrogen Review에 따르면 전 세계 친환경 수소 전해조 용량은 2025년에 두 배로 증가해 4기가와트를 넘어섰으며, 2026년을 위한 추가 설비도 건설 중입니다.

양성자 교환막(PEM) 전기분해는 이러한 확장을 뒷받침하는 선도 기술이 되었습니다. 오늘날의 PEM 전해조와 장기적으로 산업계가 요구할 비용, 내구성, 성능 사이의 격차를 좁히려면, 각 스택 내부의 소재를 세밀하게 이해하는 것에서 시작해야 합니다.

PEM 전해조란 무엇인가?

PEM 전기분해는 전기를 사용해 물을 수소와 산소 기체로 분해하는 기술입니다. PEM 전해조 셀에는 핵심 구성요소가 통합된 시스템이 있으며, 각 요소는 전기와 물을 들여보내고 수소와 산소를 내보내는 데 고유한 역할을 합니다. 이러한 구성요소는 다음과 같습니다:

• 양성자 교환막: 양극에서 음극으로 양성자가 이동하도록 하면서 수소와 산소 기체가 섞이지 않도록 함
• 양극 촉매층: 물이 산소 기체, 양성자, 전자로 분해되는 산소 발생 반응(OER)을 담당하며, 일반적으로 이리듐 기반 촉매를 사용함
• 음극 촉매층: 양성자와 전자가 결합해 수소 기체를 형성하는 수소 발생 반응(HER)을 담당하며, 보통 백금 기반 촉매를 사용함
• 다공성 수송층: 물을 촉매층으로 전달하고 수소와 산소 기체가 다시 빠져나가도록 함
• 바이폴라 플레이트: 각 셀 전반에 전류와 유체 흐름을 고르게 분배하고, 스택에서 한 셀과 다음 셀을 분리함

PEM 전기분해는 어떻게 작동하는가?

셀 내부에서 양성자 교환막은 서로 반대 전하를 띤 두 전극 사이에 위치하며, 전기분해 반응은 그 양쪽에서 진행됩니다:

• 양극(양전하)에서: 물이 공급되고, 인가된 전압이 H₂O 물 분자를 산소 기체, 전자, 그리고 수소 이온(H⁺, 즉 양성자)으로 분해합니다.
• 음극(음전하)에서: 막을 통과한 양성자가 외부 회로를 통해 도착한 전자와 재결합해 수소 기체를 형성합니다.

양성자 교환막은 이 과정의 핵심입니다. 고체 상태의 양성자 전도성 소재로서 양성자는 통과시키면서, 수소와 산소 기체가 섞이지 않도록 하는 물리적 장벽 역할을 합니다.

이러한 기능의 조합 덕분에 PEM 전해조 셀은 소형 면적에서 높은 전류 밀도로 작동하면서도 매우 높은 순도의 수소를 생산할 수 있습니다. 각 셀은 낮은 전압에서 소량의 수소만 생산하므로, 산업 규모의 출력을 달성하려면 제조업체는 이러한 셀 수십 개 또는 수백 개를 직렬로 연결해 이른바 “스택”을 구성합니다.

PEM 전해조에서 소재 특성 분석이 중요한 이유

PEM 전기분해의 혁신을 가속하려면 빠르고 정확한 소재 특성 분석이 필요합니다. 연구자들은 다음을 포함한 광범위한 소재 특성에 대한 정밀한 정보를 필요로 합니다:

• 결정 구조
• 조성
• 산화 상태
• 입자 크기
• 분산 안정성
• 운전 중 구조 진화

특성 분석 데이터는 이러한 특성과 성능을 직접 연결해 주며, 연구자들이 소재를 더 빠르게 최적화하고 근거 기반 개발 결정을 내리도록 돕습니다. 이는 느린 시행착오식 개발에서 데이터 기반 소재 공학으로의 보다 광범위한 전환을 의미합니다.

무엇보다도 고급 특성 분석은 연구자들이 소재가 왜 그런 성능을 보이는지 이해하게 해 주며, 어떻게 개선할 수 있는지에 대한 핵심 정보를 제공합니다.

PEM 전해조 촉매의 특성 분석

전극 촉매 개발은 PEM 전기분해 연구에서 가장 활발한 분야 중 하나이며, 그 이유는 분명합니다. 촉매는 기술적 병목이자 스택에서 가장 큰 비용 요인이기 때문입니다. 현재의 많은 연구는 다음에 집중하고 있습니다:

• 양극에서 사용되는 이리듐 사용량 감소
• 촉매 활성 향상
• 내구성 개선
• 스택 전체 비용 절감

이러한 목표를 달성하려면 새로 합성된 상태부터 활성 운전 중, 그리고 운전 후 또는 사이클링 후에 이르기까지 촉매의 수명주기 전반에 걸친 구조를 세밀하게 이해해야 합니다. 특히 열화 연구는 촉매 성능이 시간에 따라 정확히 어떻게, 왜 저하되는지 밝혀낼 수 있으며, 이를 통해 연구자들은 더 오래 지속되는 전해조를 만들기 위해 필요한 구체적인 구조적 또는 조성적 변화를 파악할 수 있습니다.

촉매 화학, 구조, 그리고 실제 내구성 사이의 이러한 연결이야말로 소재 특성 분석을 업계의 비용 절감 및 상용화 확장 목표와 직접 연결해 줍니다.

PEM 전해조 개발을 지원하는 분석 기법

어떤 하나의 분석 기법도 연구자가 PEM 전해조 소재에 대해 알아야 할 모든 것을 알려주지는 못합니다. 소재가 어떻게 성능을 내는지, 그리고 왜 그런지에 대한 완전한 그림을 그리려면 서로 보완적인 다양한 기법이 필요하며, 각 기법은 퍼즐의 서로 다른 조각을 특성 분석하는 데 적합합니다.

X선 회절(XRD)

XRD는 촉매 소재에 존재하는 결정상을 식별하고 정량화하며, 회절 피크의 위치, 폭, 세기를 통해 결정립 크기, 격자 변형, 격자 상수와 같은 핵심 구조 파라미터를 밝혀냅니다.

PEM 전해조 촉매 연구에서 XRD는 소재가 개발되는 동안과 운전 전반에 걸쳐 노화되는 동안 구조 변화를 모니터링하는 데 적합하며, 새로운 백금 또는 이리듐 기반 합금의 결정상을 확인하는 데에도 유용합니다.

XRD 데이터는 빠르고 반복적으로 수집할 수 있으므로, 동일 시료를 사이클링 전후에 측정하는 열화 연구와 일상적인 소재 최적화 모두에 매우 유용합니다.

당사의 소형 Aeris 벤치탑 X선 회절계는 일상적인 결정립 크기 및 상 측정을 처리하며, 모듈형 Empyrean 플랫폼은 촉매가 가열되거나, 사이클링되거나, 기타 실제 운전 조건에 놓일 때의 구조 변화를 추적할 수 있도록 X선 산란과 현장(in situ) 기능을 추가합니다.

X선 형광(XRF)

XRD가 구조를 밝혀낸다면, X선 형광은 원소 조성을 분석합니다. XRF는 촉매 조성과 귀금속 적재량을 검증합니다. 예를 들어 이리듐 또는 백금 적재량이 사양과 일치하는지 확인하거나, Pt 합금 촉매에서 금속 비율을 점검하는 데 사용됩니다.

따라서 촉매 조성이 제조 단계로 넘어가면, 이는 소재 품질 관리와 생산 일관성 모두에 자연스럽게 적용됩니다. 촉매 비용은 귀금속 함량과 매우 밀접하게 연동되므로, 정확한 원소 분석은 팀이 새로운 소재를 설계할 때 목표로 한 적재량과 조성에 실제로 도달했는지 확인하게 해 줍니다.

촉매 분석용 XRF 솔루션에는 고정식 Zetium 분광계가 포함되며, 이는 고정밀 조성 및 적재량 검증에 필요한 분석 성능을 제공합니다.

벤치탑 Epsilon 1은 표준물질 없이도 빠르게 원소 분석을 수행해 일상적인 촉매 스크리닝에 적합하며, 더 높은 처리량의 Epsilon 4는 시료 수가 훨씬 많은 생산라인 QC에 적합합니다.

XANES 및 EXAFS

XRD와 XRF는 결정 구조와 원소 조성을 보여주지만, 단일 원자 수준에서 전자적으로 어떤 일이 일어나는지는 보여주지 못합니다.

여기서 X선 흡수 분광법(XAS)이 필요합니다. XAS 스펙트럼은 두 영역으로 구성됩니다:

1. XANES: X선 흡수 근접단 구조
2. EXAFS: 확장 X선 흡수 미세구조

각각은 연구 대상 원자에 대해 서로 다른 정보를 제공합니다. XANES는 산화 상태와 배위 기하에 특히 민감하며, EXAFS는 이웃 원자와의 거리 및 배위수를 밝혀냅니다. 이 두 측정을 함께 사용하면, 복잡한 다상 또는 비정질 소재에서도 특정 원소 주변의 산화 상태와 국소 원자 환경에 대한 통찰을 얻을 수 있으며, 회절만으로는 파악이 어려운 부분까지 확인할 수 있습니다.

PEM 전해조의 경우, 이는 이리듐 기반 산소 발생 촉매를 연구할 때 특히 유용합니다. 운전 중 이리듐의 산화 상태와 배위 환경에 나타나는 미세한 변화는 촉매 활성과 장기 열화 모두와 밀접하게 연관됩니다. 이러한 원자 수준의 세부 사항을 이해해야만 연구자들은 벌크 조성만 조정하는 데 그치지 않고, 진정으로 향상된 활성과 안정성을 갖는 차세대 촉매를 설계할 수 있습니다.

Empyrean XAS는 XRD와 산란에 사용되는 동일한 모듈형 Empyrean 플랫폼에서 실험실 기반 XANES 및 EXAFS 데이터를 제공하므로, PEM 전해조 연구자들은 희소한 싱크로트론 빔타임을 확보하기 위해 경쟁하지 않고도 국소 원자 환경을 연구할 수 있습니다.

입자 특성 분석

촉매 입자 크기와 분산은 촉매층의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 더 작고 잘 분산된 입자는 귀금속 1g당 더 넓은 활성 표면적을 제공하는 반면, 분산이 불량하거나 응집된 입자는 촉매 잠재력과 비용을 낭비합니다.

입자 특성 분석 데이터는 촉매 잉크 조제와 최적화에 직접 활용되며, 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다:

• 나노입자 크기 측정
• 응집 평가
• 분산 안정성 연구

Zetasizer Advance 시리즈는 나노입자 크기와 제타 전위를 측정해 촉매 잉크의 안정성과 분산성을 평가합니다. 또한 Mastersizer 3000+ 레이저 회절 시스템은 촉매 분말과 지지체에 중요한 더 넓은 입자 및 응집체 크기 분포를 특성 분석합니다.

NanoSight Pro의 나노입자 추적 분석과 Morphologi 시리즈의 자동 정적 이미지 분석도 보완적인 입자별 관점을 추가합니다. 개별 나노입자를 계수하고 크기를 측정하며 응집체 형상을 평가해, 위의 벌크 측정값이 보여주는 내용을 확인하는 데 도움을 줍니다.

기법	밝혀내는 내용
X선 회절(XRD)	결정상, 결정립 크기, 격자 변형
X선 형광(XRF)	원소 조성, 귀금속 적재량
XANES / EXAFS	산화 상태, 국소 원자 환경
입자 특성 분석	입자 크기, 분산 안정성, 제타 전위

PEM 전해조 연구의 미래 동향

PEM 전해조 연구는 지속적으로 발전하고 있으며, 이 분야의 미래는 소재, 제조, 시스템 설계의 결합된 혁신에 달려 있습니다. 다음과 같은 여러 수렴 추세가 기술의 향후 방향을 형성하고 있으며, 개발자들은 다음을 달성하고자 합니다:

• 귀금속 사용량 감소: 많은 연구가 성능 저하 없이 양극의 이리듐 적재량을 줄이는 데 집중하고 있으며, 동시에 대체 촉매 화학과 필요한 귀금속을 더 효율적으로 사용하는 방법도 모색하고 있습니다.
• 향상된 내구성: 산업계가 운전 수명 연장을 추진함에 따라, 스택 전체의 열화 메커니즘을 이해하는 것이 원래의 성능만큼이나 중요해지고 있습니다.
• 고성능 시스템: 지속적인 연구는 더 높은 전류 밀도, 더 높은 효율, 더 많은 수소 생산량을 목표로 하면서 동시에 운전 비용 절감도 추구합니다.
• 기가와트 규모 제조: 수소 수요 증가에 대응하기 위해 전해조 제조가 빠르게 확장되고 있으며, 방대한 생산량 전반에 걸친 견고한 품질 관리와 일관된 소재 성능은 그 자체로 커다란 공학적 과제가 되고 있습니다.
• 재생에너지 통합: PEM 전해조는 재생에너지 생태계에서 점점 더 중요한 역할을 맡고 있으며, 변동성이 큰 풍력과 태양광 설비가 늘어날수록 전력망 균형 유지, 에너지 저장, 섹터 결합에 기여할 잠재력을 지니고 있습니다.

더 스마트한 소재 특성 분석으로 PEM 전해조 발전 가속하기

PEM 전해조는 향후 10년간 친환경 수소 생산 확대에서 중요한 역할을 할 것으로 예상되지만, 이를 실현하려면 그 기반이 되는 소재의 성능이 뒷받침되어야 합니다. 촉매, 막, 그리고 그 밖의 모든 핵심 구성요소가 스택의 효율, 내구성, 비용을 결정하며, 이들을 개선하려면 정밀한 소재 이해가 필요합니다.

XRD와 XRF부터 XAS와 입자 분석에 이르는 고급 특성 분석 기법은 연구자들에게 핵심 통찰을 제공합니다. 이를 통해 연구팀은 열화 메커니즘을 이해하고, 새로운 소재를 더 빠르게 검증하며, 차세대 PEM 전기분해로 나아가는 과정에서 개발 리스크를 줄일 수 있습니다.

Malvern Panalytical의 소재 특성 분석 솔루션이 연구자들이 PEM 전해조 소재를 조사하고, 열화 메커니즘을 이해하며, 더 효율적이고 더 내구성 높은 수소 생산 기술 개발을 가속하는 데 어떻게 도움이 되는지 자세히 알아보세요. 수소 생산에 확신을 더해 주는 분석 솔루션에 대해 Malvern Panalytical 전문가와 상담해 보세요.