기획특집: 수소 생산 및 저장 기술 · 율적인 이용을 위해서는 대용량 에너지저장장치 가 필요하다. 이러한 에너지 저장장치로 양수발전,

고분자전해질 수전해 시스템 기술동향

KIC News, Volume 21, No. 3, 2018 1

1. 서 론1)

지구에 있는 모든 인류는 살아가기 위하여 많은

에너지를 필요로 한다. 아침에 깨어나는 순간부터

일을 하거나 쉬는 동안에 에너지를 소비하며, 심

지어 잠자는 동안에도 에너지를 소비한다. 특히

최근 1세기 동안 과학기술의 발전으로 에너지를

소비하는 다양한 제품들이 개발되어 에너지 소비

량이 10배 이상 증가했다. 이러한 에너지 소비의

증가는 지구 환경에 많은 악영향을 주고 있으며,

크게 두 가지 문제점이 대두되고 있다.

첫 번째는 지구 온난화로 인한 기상이변이다. 미

국 해양대기청(National Oceanic and Atmospheric

Administration, NOAA)의 과학자들은 여러 가지

간접적인 측정 결과를 토대로 지난 80만 년 동안

지구 대기 중 이산화탄소 농도는 180~280 ppm

저자 (E-mail: [email protected])

사이를 유지했다고 예측하였다. 이산화탄소 농도

는 산업화 이전 280 ppm 정도에서 이후 서서히

증가하여 1950년대 후반에는 300 ppm 이상을 기

록하였으며, 최근 400 ppm에 도달하였다. 이와 같

은 이산화탄소의 농도는 지난 80만 년 동안 가장

높은 값으로 여겨지고 있다. 최근 100년도 안 되

는 기간 100 ppm 정도가 증가하였으며, 최근 그

증가율이 더욱더 빨라져, 최근 10년간 연평균 증

가율을 2.1 ppm/yr 정도로 나타났다. 이처럼 이산

화탄소의 농도 증가는 지구 온난화의 직접적인 원

인이며, 지구 온난화로 인해 기상이변이 속출하고

있다[1].

두 번째 문제점으로는 대기 중 1급 발암물질(미

세먼지, NOx 등) 증가로 인한 보건환경 악화이다.

2014 스위스 다보스포럼의 전 세계 178개 국가의

공기의 질을 평가에 의하면, 아시아권에 많은 나

라가 하위권에 분포되었으며 특히 대한민국은 초


한 상 범

(주)보야스에너지

The Trend of Polymer Electrolyte Membrane Water Electrolysis

Sang-Beom HanBoyaz Energy Co., Ltd. Seoul 08504, Republic of Korea

Abstract: 수소경제시대는 지구온난화뿐만 아니라 미세먼지, 오존 등 지금 당장 직면해 있는 문제를 해결할 수 있는

방안이다. 우리나라와 일본은 전 세계적으로 수소연료전지 기술을 선도하고 있는 것으로 분석되고 있다. 특히 국내에

서는 수소전기차가 1,000대 이상 사전예약판매되는 등 관련 시장이 활성화되고 있다. 하지만 수소충전소는 일본의

20%도 안 되는 실정이다. 일본, 유럽, 미국 등의 선진국에서는 2020~2030년까지 수소충전인프라를 공격적으로 확보

하여 수소경제시대를 준비하고 있다. 고분자전해질 수전해는 컴팩트하고 운전이 간단하기 때문에 도심 등에서 작은

부지에도 설치할 수 있는 수소충전소에 적합하다. 또한 귀금속 촉매를 사용함에도 불구하고 전류밀도가 알칼리 수전

해보다 4배 이상 높은 장점으로 인해 대용량 수전해에는 더 경제성이 있을 것으로 평가되고 있다. 민간기업과 정부는

관련 기술 개발을 통해 지금 당면한 대기환경 문제를 해결하고 관련기술을 선도하여 국가 산업발전의 발판으로 삼아

야 한다.

Keywords: Hydrogen, Polymer electrolyte membrane, Oxygen evolution, Precious metal, Catalyst

기획특집: 수소 생산 및 저장 기술


2 공업화학 전망, 제21권 제3호, 2018

미세먼지 항목에서 안 좋은 평가를 받아 166위로 최

하위권에 속하였다. 대한민국의 대기가 안 좋아진

가장 큰 원인으로 주변국과 국내 석탄 화력발전소

와 자동차 배기가스가 지목되고 있으며, 이러한 대

기오염은 우리들의 생명을 위협하고 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위하여 많은 과학

자들은 이산화탄소 배출이 거의 없는 태양광, 풍

력 등의 친환경(신⋅재생)에너지의 개발을 강조하

고 있다. 풍력발전의 전력 생산단가는 기존 화석

연료를 이용한 열병합 발전과 비슷한 수준에 도달

하였으며, 태양광도 마찬가지로 발전 단가가 빠른

속도로 낮아지고 있다. 하지만 풍력발전과 태양광

발전은 전력의 생산량이 일정하지 않기 때문에 효

율적인 이용을 위해서는 대용량 에너지저장장치

가 필요하다. 이러한 에너지 저장장치로 양수발전,

압축공기 저장, 플라이휠 등과 같은 물리적 에너

지저장장치와 배터리, 수소와 같은 화학적 에너지

저장장치가 활발히 연구되고 있다. 친환경 에너지

가 안정적으로 공급되기 위해서는 수 MWh급 이

상의 매우 큰 용량의 에너지저장장치가 필요하며,

이를 위해 에너지밀도와 변환효율이 높은 장치를

개발해야 한다. 이에 수소는 에너지 밀도가 매우

높고 환경 친화적인 에너지로써 아래 Table 1과

같이 단위질량당 에너지 밀도가 가장 높다. 또한

가스저장소의 크기에 따라 에너지 저장용량이 결

정되기 때문에 대규모 에너지저장시스템 적용에

매우 적합하다[2-3].

2. 수전해장치의 종류 및 원리

에너지밀도가 높은 수소를 제조하는 방법은 화

석연료 개질, 공업프로세스에서 발생하는 부생가

스, 바이오매스 가스화, 신재생에너지를 이용한 수

전해 등 다양한 방법들이 있다. 국내에는 현재 석

유화학공정에서 발생하는 부생가스가 비교적 많

은 편이긴 하지만, 매장량 및 온실가스배출량 측

면에서 태양 및 풍력에너지 등을 이용한 수전해장

치의 개발이 필요하다. 수전해장치는 전해질의 종

류에 따라 Table 2와 같이 고분자전해질 수전해법

(Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis), 알

칼리 수전해법(Alkaline Electrolysis), 고체산화물

전해법(Solid Oxide Electrolysis)으로 나눌 수 있다.

고분자전해질 수전해법은 수소이온이 이동할

수 있는 듀퐁사의 Nafion과 같은 양이온교환막을

전해질로 이용하여 물을 전기분해하는 방법이다.

양이온교환수지는 수소이온이 잘 해리될 수 있는

구조로써, 강한 산성분위기의 전해질이다. 이때 전

해질의 강한 산성으로 인해 저가의 전이금속은 안

정하지 못해 사용하기 어렵다. 환원전극에는 주로

카본블랙에 백금을 담지한 촉매를 사용하며, 산화

전극에는 주로 이리듐산화물 촉매를 사용한다. 현

재 고분자전해질 수전해법은 고가의 귀금속 촉매

Storage material Specific energy (MJ/kg) Energy density (MJ/L)

Hydrogen (700 bar) 142 9.17

Methane (compressed) 55.5 22.2

Diesel 48 35.8

LPG 46.4 26

Gasoline 46.4 34.2

Coal ~30 ~38

Lithium metal battery 1.8 4.32

Lithium-ion battery 0.36-0.875 0.9-2.63

Alkaline battery 0.5 1.3

Supercapacitor (EDLC) 0.01-0.036 0.05-0.06

Flywheel 0.36-0.5

Table 1. 에너지 저장방법에 따른 에너지 밀도



를 사용하기 때문에 초기 시설비가 알칼리 수전해

법 보다는 조금 많이 든다. 하지만 Table 2에 보인

바와 같이 다른 수전해 기술에 비해 전류밀도가

매우 높기 때문에 상대적으로 컴팩트하며, 시동시

간이 10 s 이하로 매우 빠르며, 수소의 순도가 높

은 장점이 있다. 고분자전해질 수전해법은 현재

12개 정도의 제조사에서 상업화된 제품을 출시하

고 있으며, 최근 MW급 수전해 장치의 상업화도

이루어지고 있다. 고분자전해질 수전해장치는 상

업화 초기로 앞으로 발전가능성이 높은 기술로서

이후 수소충전소 등의 시장선점을 위해서는 생산

단가를 낮추고 안정성을 높이는 많은 연구가 필요

한 분야이다[4].

두 번째로 알칼리 수전해는 다공질 격막에 의해

산화전극과 환원전극이 분리되며, 25~30% 수산

화나트륨이나, 수산화칼륨 수용액을 전해질로 사

용한다. 알칼리 수전해는 비교적 높은 이온전도도

로 인해 전류밀도가 최대 0.45 A⋅cm-2 정도로 상

대적으로 낮고, 알칼리전해질의 혼합으로 인해 수

소의 순도가 99.5~99.9% 정도로 조금 낮은 편이

다. 하지만, 알칼리 전해질에는 안정한 전이금속

(니켈, 코발트, 은 등)이 전극촉매로 사용할 수 있

는 장점이 있다. 이로 인해 Table 2에 나타난 바와

같이 알칼리 수전해는 초기비용이 비용이 가장 적

은 기술로서, 20세기 초부터 MW급 수소발생장치

에 적용되 왔으며, 현재 20여 개의 제조업체에서

상업화 제품을 판매하고 있는 안정화된 기술이다.

세 번째로 700~1,000 ℃에서 작동하는 고체산

화물 수전해법은 산소음이온이 고체결함 등을 통

해 이동할 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용한

다. 고체산화물 수전해는 20세기 후반 미국에서

개발이 시작되었으며, 기체상태의 수증기를 분해

하기 때문에 상 변화로 인한 잠열이 필요 없어서

에너지효율이 80% 이상으로 높고, 전류밀도도 1

A⋅cm-2으로 비교적 높은 장점을 가지고 있다. 하

지만 시동시간이 수시간 이상으로 길고, 단위셀이

나 소형 스택을 이용한 연구수준으로 아직까지 상

용화된 기술은 아니다. 아직까지 상용화에 성공한

제조업체는 없는 것으로 보이지만, 에너지효율이

저온 수전해보다 10% 이상 높은 시스템이기 때문

에 지속적인 연구가 필요할 것으로 보인다. 특히

이산화탄소와 수증기를 동시에 전기분해하여 합성

가스를 합성하는 시스템의 개발이 가능하여 에너

지분야뿐만 아니라 공업적인 활용도 가능하다[5].

지금까지 간단하게 살펴본 수전해장치들 중 고

분자전해질 수전해는 현재 상용화 과정에 돌입한

구분 고분자전해질막 수전해 알칼리 수전해 고체산화물 수전해

전해질양이온교환막

(Nafion 등)알칼리 용액

(격막 + 25~30% KOH 등)이온전도성 고체산화물

(YSZ 등)

촉매 Pt, Ir 등 Ni/Fe 등 Ni 도핑 세라믹 등

작동온도(℃) 50~80 60~90 700~1,000

작동압력(bar) 20~448 10~30 1~15

전류밀도(A⋅cm-2) 2~3 0.25~0.45 0.3~1.0

시동 소요시간 < 10 s 1~5 min 15 min

스택효율(%, LHV) 60~68 63~71 100

시스템효율(%, LHV) 46~60 51~60 76~81

에너지소비(kWh⋅Nm-3) 5.0~6.5 5.0~5.9 3.7~3.9

최대전력(kW, 스택당) 6,000 2,000 < 10

내구성(× 1,000 h) 60~100 55~120 8~20

초기비용(€⋅kW-1) 1,400~2,100 800~1,500 2,000

유지비용(%/yr) 3~5 2~3 n/a

Table 2. 전해질 종류에 따른 수전해법[4]



시스템으로써, 최근 분석에 의하면 0.5 MW급 이

상의 시스템에서는 알칼리수전해보다도 경제성이

높을 수 있을 것으로 분석되기도 하였다. 고분자전

해질 수전해 기술은 향후 대용량 수소저장, 수소충

전소 등 상업적 발전가능성이 높을 것으로 사료된

다. 본고에서는 이러한 고분자전해질 수전해법의

발전 가능성에 대해 자세히 살펴보고자 한다[6].

3. 고분자전해질 수전해장치의 원리와 특징

고분자전해질 수전해는 Figure 1과 같이 산화전

극(Anode)에서 반응식 (1)과 같이 물이 IrO2와 같

은 귀금속산화물 촉매에 의해 산화되어 산소를 발

생시킨다. 이때 생성된 수소이온은 양이온교환막

(Nafion 등)을 통해 환원전극(Cathode)으로 이동

하여 백금촉매에 의해 환원되어 반응식 2와 같이

수소가스를 발생시킨다.

산화전극(Anode) :

2H2O(l) → O2(g) + 4H+ + 4 e- (1)

환원전극(Cathode) :

4H+ + 4e- → 2H2(g) (2)

산소가 발생하는 산화전극은 액체상태의 물의

기체상태의 산소가 되는 상변화를 수반하기 때문

에 산소의 표준환원전위인 1.23 V보다 0.25 V (물

의 상변화에 필요한 에너지) 높은 1.48 V 이상에

서 반응이 일어난다. 이때 촉매를 사용하여 활성

손실을 최소화해야 한다. 활성손실 등을 고려하면

실제 산화전극은 1.6~2.0 V에서 작동하게 되며,

강한 산성조건으로 인해 촉매 및 소재의 안정성이

매우 중요하다. 이를 고려하여 산화전극촉매는

IrO2 등의 고가의 귀금속 산화물이 사용되어야 한

다. 고가의 촉매를 사용할 경우에는 비표면적이

넓은 담지체에 촉매를 담지하여 촉매사용량을 최

소화해야 한다. 하지만 고분자전해질 수전해장치

의 산화전극의 높은 전압과 산성환경에 안정한 담

지체 소재의 개발이 매우 어렵다. 이로 인해 대부분

의 상용제품에는 담지체 없이 귀금속산화물촉매가

사용되기 때문에 1~4 mg⋅cm-2 정도로 많은 촉매

가 사용된다[7]. 또한 집전체(Current distributor)는

티타늄섬유, 티타늄 메쉬 등의 소재가 사용된다.

수소가 발생하는 환원전극은 0 V보다 낮은 전

위에서 반응이 일어나기 때문에 주로 탄소에 백금

을 담지한 촉매를 사용할 수 있다. 수소연료전지

에 사용되는 상용 Pt/C 촉매를 사용할 수 있으며,

백금을 기준으로 0.2 mg⋅cm-2 이하로 낮은 로딩

량을 사용할 수 있다. 또한 집전체도 연료전지에

많이 사용되는 카본페이퍼(carbon paper), 카본천

(Carbon cloth)을 사용할 수 있다.

고분자전해질은 주로 Nafion과 같은 불소계 전

해질막이 사용된다. Nafion은 수소이온의 전도도

가 매우 높기 때문에 2~3 A⋅cm-2 이상의 높은

전류밀도로 운전이 가능하다. 이와 같이 전류밀도

가 높을 경우 전극에서 많은 양의 열이 발생하게

된다. 수전해장치는 전극에 직접 물을 공급하기

때문에 공급된 물을 이용해 이 열을 식힐 수 있다.

고분자전해질 수전해장치는 일반적으로 Figure 2

와 같이 산화전극에만 물을 공급해주며, 공급되는

물의 양은 단위전지 또는 스택에서 최대 전압과

전류밀도를 이용하여 최대 발열량을 계산하고 이

를 충분히 식힐 수 있는 물을 공급해준다. 환원전

극에는 산화전극에서 수소이온 1개가 넘어올 때

2~3개 정도의 물 분자가 함께 넘어오게 된다. 이

때 수소와 산소의 투과도가 매우 낮기 때문에 순

도가 높은 수소를 얻을 수 있다. 환원전극으로 넘

어온 물은 기액분리기를 통해 되며, 다시 산소분

리탱크로 공급하여 준다.

Figure 1. 고분자전해질 수전해셀 모식도.



고분자전해질 수전해는 이와 같이 전류밀도가

높기 때문에 스택이 컴팩트하고 시스템이 비교적

간단하기 때문에 조작이 간단한 장점을 가지고 있

다. 또한 전해질염을 사용하지 않기 때문에 수소

의 순도를 높이기가 쉽고 설계에 따라 고압운전이

가능한 시스템이다. 이러한 장점들로 인해 대용량

수전해에 적합하며, 특히 자동차용 수소충전소에

적합한 기술이다[8].

4. 고분자전해질 수전해장치의 개발현황

최근 유럽에서는 2030년 정도를 목표로 내연기

관 자동차 생산을 금지하고 친환경 자동차시대로

넘어가기 위한 활발한 움직임이 일어나고 있다.

이에 수소전기차는 배터리를 이용한 전기차와 경

쟁하고 있으며, 아직 단가와 충전인프라면에서 뒤

처지고 있다. 하지만 충전속도가 5 min 이내로 빠

르고 최대로 주행할 수 있는 거리가 전기차보다

우수한 장점을 가지고 있다. 유럽의 독일, 프랑스,

영국과 일본, 미국 등의 선진국과 대한민국에서는

전기차와 함께 수소전기차를 위한 준비가 활발히

이루어지고 있다. 다음 Figure 3은 전 세계 수소충

전소의 위치를 쉽게 찾아볼 수 있는 지도이다. 전

세계에는 2017년 기준으로 330여 기의 수소충전

소가 설치⋅운영 중이며, 유럽 140기, 아시아 118

기, 북미 71기 정도가 분포돼 있다. 특히 일본은

96기로 가장 많은 수소충전소가 설치되어 있으며,

2020년까지 160개소로 확대할 예정이다. 독일은

2017년 기준 57기의 수소충전소가 설치되었으나,

2020년까지 400기로 확대할 설치할 예정이다. 또

한 프랑스는 17기의 수소충전소가 설치되어 있으

나, 2030년까지 수소충전소를 600개소로 확대하

고 수소전기차 80만 대 보급을 준비하고 있다. 이

와 같이 일본과 유럽을 중심으로 수소경제의 준비

가 활발히 이루어지고 있다. 국내에는 총 15기의

수소충전소가 있으나, 상업용으로 사용이 가능한

곳은 9곳에 불과하다[10-11]. 산업통상자원부는

2020년까지 수소충전소를 80개소 설치와 수소전

기차 9천 대 보급을 목표로 하고 있으나, 이를 위

해서는 많은 준비가 필요할 것으로 사료된다.

수소충전소에 수소를 공급하는 방법에는 메탄

가스 개질, 고압탱크이송(부생가스 등), 수전해 등

다양한 방안이 모색되고 있다. 국내에서도 아직까

지 많은 논의가 이루어지고 있으나, 도시가 발달

한 국내에는 고압탱크이송이나 메탄개질보다 컴

팩트하고 조작이 간단한 고분자전해질 수전해가

적합할 수 있다. 수전해시스템이 상용화되기 위해

미국에너지성(DOE)은 Table 3과 같은 목표를 설

정하였다. 수전해 시스템의 에너지효율을 75%까

지 향상시키고, 전기의 단가를 낮춤으로써 수소 1

kg당 2.3달러의 수소제조단가를 이루어야 상용화

에 적합할 것으로 예상하였다. 이러한 목표를 이

Figure 2. 고분자전해질 수전해시스템 P&ID[9].



루기 위해서 스택의 효율을 77% 이상으로 잡았으

며, 전류효율이 100%라고 가정했을 때 단위전지의

작동 전압을 1.60 V 이하로 낮추어 주어야 한다.

고분자전해질 수전해는 양이온교환막의 낮은

이온전도도와 귀금속 촉매로 인한 낮은 활성화에

너지로 인해 1.6 V에서도 1.5 A⋅cm-2 이상의 높

은 전류밀도를 얻을 수 있다[13]. 이와 같이 높은

전류밀도는 수전해스택 및 시스템의 크기를 결정

할 수 있는 중요한 척도이다. 고분자전해질 수전

해는 DOE의 수소생산단가 목표를 달성하면서도

컴팩트한 시스템을 개발할 수 있기 때문에 국내외

수소충전소에 적용하기 적합한 기술이다.

고분자전해질 수전해장치가 상용화되기 위해서

는 크게 두 가지 문제점을 해결해야 한다. 첫 번째

로 이온전도도가 높고 내구성이 높은 양이온교환

막을 개발해야 하며, 두 번째로는 고효율⋅고내구

성 촉매 및 촉매담지체를 개발하여 촉매의 사용량

을 감소시키고 내구성을 향상시켜야 한다. 이와

관련하여 Figure 4는 최근 매우 높은 성능을 보인

고분자전해질 수전해의 단위전지성능을 나타낸

그래프이다. 이 그래프에서 우리는 고분자전해질

의 저항손실과 산소발생반응에서의 활성손실이

단위전지의 성능을 감소에 큰 비중을 차지함을 알

수 있다. 고분자전해질의 저항손실이 비교적 큰

비중을 차지하긴 하지만, 소재 자체의 이온전도도

는 어느 정도 최적화되어 다른 수전해시스템보다

2~4배 정도 높은 편이다. 이로 인해 고분자전해질

막은 소재의 단가를 낮추기 위해 탄화수소계 전해

질막을 개발하기 위한 연구 등이 다수 보고되고

있으며, 강화막(Reinforced membrane)을 개발하

고 두께를 감소시켜 저항 손실을 줄이는 등의 노

력들이 이루어지고 있다[14-16]. Figure 4에서 두

번째로 큰 에너지손실은 산화전극에서의 산소발

생반응(Oxygen Evolution Reaction, OER)의 활성

손실이다. 산화전극의 활성손실을 줄이기 위해서

는 산소발생반응의 활성화에너지를 줄여줄 수 있

는 촉매가 필요하다. 촉매의 활성은 반응물의 흡

착에너지에 따라 크게 변화하기 때문에 이에 대한

이해가 필요하다. 흡착에너지가 너무 작을 경우 반

응물의 흡착이 일어나기 어렵기 때문에 촉매활성

이 좋지 않으며, 흡착에너지가 너무 클 경우에도

Figure 3. 유럽, 대한민국, 일본, 미국의 수소충전소[12].

구분 단위 2015 목표 2020 목표

수소 제조단가 $/kg 3.9 2.3

수전해시스템

단가

$/kg 0.5 0.5

$/kW 300 300

시스템

에너지효율

% (LHV) 72 75

kWh/kg 46 44

스택

에너지효율

% (LHV) 76 77

kWh/kg 44 43

전기 단가 $/kWh ~0.06 0.037

Table 3. 미국에너지성의 수전해기술 목표



반응물의 흡착상태가 너무 안정하여 표면반응이

잘 일어나지 않아 촉매성능이 좋지 않다. 이와 같

은 이유로 인해 Figure 5와 같이 산소발생촉매의

활성은 산소흡착에 따른 엔탈피(흡착에너지의 척

도)에 따라 Volcano plot과 같은 특성을 가지게 된

다[17]. 이 그래프에서 RuO2 촉매가 산소발생반응

에 가장 우수한 성능을 나타낼 것으로 예상되며,

Pt 등도 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있다. 하지

만 고분자전해질 수전해 산화전극은 앞에서 설명

한 바와 같이 1.6~2.0 V 정도의 높은 전위에서 작

동되기 때문에 내구성도 매우 중요하다. Figure 6

는 고분자전해질 수전해 산화전극에 가장 많이 사

용되고 있는 대표적인 두 가지 촉매에 대한 성능

과 용해도에 대한 평가결과이다[18]. 이 평가결과

에서 RuO2 촉매는 IrO2 보다 같은 전류밀도에서

150 mV 정도 더 낮은 전위를 나타낸다. 하지만

RuO2는 IrO2 촉매보다 용해속도가 100배 이상 빠

르기 때문에 단일 물질로 수전해촉매에 적용하기

는 힘들다. 하지만 Ru의 산소발생반응의 활성이

매우 우수하기 때문에 Ru을 안정화하기 위한 연구

가 일부 진행되고 있는 것으로 보인다. 영국에서는

산성용액에서 매우 안정한 금속산화물로 알려진

니오븀산화물에 Ru을 첨가하여 RuxNb1-xO2 촉매

에 대한 연구를 진행하였다. 이를 통해 RuO2 보다

는 안정성이 소폭 향상된 것으로 조사되긴 하였으

나 실제 시스템에 적용할 수 없는 수준이었다[19].

하지만 최근 몇몇 논문에서는 이리듐산화물에 Ru

을 30% 이하로 첨가하여 높은 성능과 함께 안정

성도 어느 정도 확보한 것으로 보고되고 있다[20].

수전해 산화전극에는 촉매와 함께 담지체가 매

우 중요하다. 하지만 아직까지 산화전극 조건에서

안정한 담지체가 많이 보고되고 있지 못한 형편이

다. 수전해 산화전극은 앞서 설명한 바와 같이 높

은 전위와 산성도에 안정하면서 전도성까지 가진

물질이 필요하다. 이러한 조건을 만족하는 물질은

매우 찾기 어려우며, 티타늄이나 주석산화물계열

물질들이 연구가 일부 보고되긴 하였으나 적용가

능한 수준의 기술은 아직 개발되지 못하였다. 국내

에서도 이러한 시도가 일부 보고되고 있으며, 특히

Figure 4. 고분자전해질 수전해 단전지 성능[14].

Figure 5. 전이금속산화물 촉매의 산소발생반응 Volcano

plot[17].

Figure 6. 귀금속 OER촉매의 전압에 따른 촉매 용해속도[18].



숭실대학교와 보야스에너지에서는 수전해 촉매에

적용가능한 전도성산화물(Ti4O7, SbxSn1-xO2 등)을

개발하고 있다. 특히 대량생산이 가능한 Spray py-

rolysis 공정을 도입하여 비표면적 100 m2⋅g-1 이

상의 수전해 촉매(IrO2, IrRuOx 등)를 상용화하였

다. 수전해 산화전극에 적용 가능한 담지체가 개

발될 경우 귀금속 촉매의 사용량을 크게 감소시킬

수 있을 것으로 기대된다.

고분자전해질 수전해시스템은 아직까지도 많은

귀금속 촉매를 사용하긴 하지만 상용화 제품이 지

속적으로 개발되고 있다. Giner inc., Hydrogenics,

Siemens 등에서 MW급 고분자전해질 수전해 스

택을 개발하였으며, MW급 수전해 프로젝트가 독

일, 캐나다 등에서 다수 진행되었다. 국내에서도 고

분자전해질 수전해 전문기업 (주)엘켐텍은 3,000

cm2의 대면적 스택 상용화에 성공하였으며, 350

bar 운전이 가능하도록 특수하게 고안된 스택 구

조를 통해 Sub MW급 규모의 시스템을 구현하여

강화도에 해당 데모사이트를 구축 중에 있는 것으

로 보도되고 있다. 이와 같이 고분자전해질 수전

해는 연구수준 넘어서 실용화단계에 활발히 진입

중인것으로 예상되며, 관련 시장 또한 급속히 커

질 것으로 전망된다.

5. 맺음말

20세기 후반부터 과학자들은 전 세계적으로 온

실가스 저감을 위한 문제를 인식하고 이를 개선하

기위한 많은 노력들을 하고 있다. 하지만 우리나

라는 이와 더불어 미세먼지, 오존 등의 대기환경

문제가 정부의 주요 공약이 되었을 정도로 많은

국민이 관심을 가지고 있는 이슈가 되었다. 이러

한 관심과 함께 최근 국내에서는 국산 수소전기차

넥쏘가 1,000대 이상 사전예약판매가 되는 등 친

환경에너지 시장이 급성장 할 것으로 예상된다.

우리나라는 일본과 함께 수소연료전지 기술 강국

으로 평가되고 있다. 하지만 수소충전소는 일본

등 해외 많은 나라에 비해 뒤쳐져 있는 형편이다.

고분자전해질 수전해 등의 수소충전소에 적합한

기술개발을 서둘러 얼마 남지 않은 수소경제시대

를 준비해야 할 것으로 사료된다. 본 논문에서는

수소충전소에 적합할 것으로 예상되는 고분자전

해질 수전해의 원리 특징 및 개발현황에 대하여

살펴보았다. 해외에서는 이미 수 MW급 고분자전

해질 수전해 시스템이 상용화 수준의 제품으로 출

시되고 있으며, 관련 시장이 급성장 하고 있다. 유

럽과 일본 미국 등은 2020~2030년까지 수소충전

소 인프라에 대한 공격적인 목표를 추진 중이며,

이러한 목표를 이루기 위한 많은 준비가 이루어지

고 있다. 우리나라도 곧 다가올 수소경제시대를

위해 민간 뿐만 아니라 정부차원에서 정확한 목표

를 세우고, 이를 이루어내기 위한 정확한 계획을

수립해야만 한다.

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한 상 범2006~2007 한국전력연구원 연료전지개발팀

연구보조원

2007~2009 숭실대학원 환경⋅화학공학

석사

2009~2017 숭실대학원 화학공학 박사

2011~2011 숭실대학교 화학공학과 강사

2012~2015 (주)엘켐텍 연구팀 연구원



2016~현재 (주)보야스에너지 대표이사

2017~현재 숭실대학교 화학공학과

초빙교수

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기획특집: 수소 생산 및 저장 기술 · 율적인 이용을 위해서는 대용량 에너지저장장치 가 필요하다. 이러한 에너지 저장장치로 양수발전,