수소는 인류가 직면한 환경 및 에너지 문제를 해결할 수 있는 최적의 대안으로 주목받고 있습니다. 하지만 현재 우리가 일상에서 사용하는 수소의 대부분은 화석 연료를 기반으로 생산되는 부생수소나 추출 수소이기에 진정한 의미의 친환경 에너지라 부르기에는 한계가 있습니다. 수전해 방식을 통한 그린 수소 생산이 필수적임에도 불구하고, 높은 생산 단가와 중앙집중식 인프라 구축에 따르는 비용 및 안전성 문제는 그동안 수소 경제 실현의 큰 걸림돌이 되어 왔습니다.

한국재료연구원의 최승목 박사팀이 개발한 ‘KIMStack-A1’은 이러한 문제를 해결할 분산형 수전해 시스템입니다. 이 시스템은 차세대 기술인 음이온 교환막(AEM) 수전해 방식을 채택하여 기존 방식들의 장점만을 결합했습니다. 특히 고가의 귀금속 촉매 대신 저렴한 비귀금속 촉매를 활용함으로써 제조 비용을 혁신적으로 절감했으며, 고압의 고순도 수소를 직접 생산할 수 있어 별도의 압축 공정이 필요 없는 뛰어난 경제성과 효율성을 자랑하는 것이 특징입니다.

음이온을 투과시키는 교환막에 물과 전기를 공급하면 환원극에서 수소가 발생하고, 이동한 음이온이 산화극에서 산소로 바뀌며 청정 에너지가 생성됩니다.

기존의 음이온 교환막(AEM) 수전해 방식은 높은 물질 전달 저항으로 인해 전극 활성이 떨어지는 치명적인 약점이 있었습니다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 새로운 도금 기술과 3차원 형상 제어 기술을 적용하여 촉매층의 고기능성 표면 처리를 수행했습니다. 이를 통해 수소 기체가 전극 표면에 정체되는 현상을 방지하고 반응 효율을 극대화했습니다. 단위 셀 평가 결과, 고가의 백금 촉매와 동등한 수준의 성능과 내구성을 동시에 실현하며 기술의 완성도를 전 세계에 증명했습니다.

이번 연구의 또 다른 성과는 저온 상압 수열 합성법을 통한 촉매 일체형 전극 기술입니다. 밤송이 모양의 고반응성 촉매를 전극 표면에 직접 성장시킴으로써 촉매가 분리되는 내구성 문제를 해결하고, 제조 공정을 단순화하는 원스텝 기술을 완성했습니다. 물질 전달 저항을 최소화하는 V-채널 형상을 동일 공정에서 구현하여 시스템 제조 단가를 획기적으로 낮출 수 있게 되었습니다. 이는 촉매 연구를 넘어 실제 스택에 최적화된 상용화 모델을 제시했다는 점에서 의의가 큽니다.

KIMStack-A1은 소형 모듈화를 통해 소비 현장에서 직접 수소를 생산하는 분산형 수전해 인프라 구축의 핵심이 될 것입니다. 수소차 충전소는 물론 가정이나 도서 지역에서도 자체적인 에너지 자립이 가능해지며, 재생에너지의 잉여 전력을 수소로 저장하여 필요할 때 전기로 다시 변환해 쓸 수 있습니다. 이는 고가의 에너지 저장 장치(ESS)를 대체하며 에너지 확장성을 무한히 넓힐 수 있는 혁신으로, 대한민국의 수소 경제를 앞당길 차별화된 경쟁력을 제공할 것입니다.