재생에너지의 보급과 기후변화를 대응하기 위한 해결책으로 수소에너지에 대한 관심이 늘어나고 있다. 수소는 미 이용 전력을 대용량 장주기로 저장하기에 가장 적합한 수단이며 이러한 수소를 생산하는 기술 중 수전해는 물에 전기에너지 를 인가하여 수소를 생산하는 친환경적 수소생산 기술로 알려져 있다. 수전해의 구성 요소 중 분리막은 음극과 양극을 물리 적으로 분리할 뿐만 아니라 생성되는 수소와 산소의 섞임 현상을 방지하며 이온의 전달을 가능하게 하는 복합적인 역할을 수 행한다. 특히 기존의 수전해 기술들의 단점을 보완할 수 있는 차세대 음이온 교환막 수전해에서의 핵심은 우수한 음이온 교 환막을 확보하는 것이다. 높은 이온 전도성과 알칼리 환경에서 우수한 내구성을 동시에 가지려는 많은 연구들이 진행되고 있 으며 다양한 소재에 대한 탐색이 이루어지고 있다. 본 총설에서는 상용 블록 공중합체인 Polystyrene-b-poly(ethylene- co-butylene)-b-polystyrene (SEBS)를 기반으로 하는 음이온 교환막에 대한 연구에 대해 살펴보며 최신 연구 동향과 앞으 로 나아가야할 점에 대해 논하고자 한다.

현대에는 배터리를 비롯한 수소 기반 에너지가 효율적이라고 널리 알려져 있다.이러한 결과는 수소가 에너지 수 송체로써의 높은 효율을 가지고 있다는 사실로부터 기반한다. 자연 친화적이며 높은 순도를 가진 수소는 수전해로부터 제조 할 수 있다. 다양한 종류의 전기분해 중, 수소이온 교환막 수전해는 가장 재생 가능하며 싸고 자연 친화적이다. 이는 에너지 로써 사용이 되기에 적합한 산소와 수소를 생성한다. 이와 같이 많은 장점이 있기에 활발한 연구가 수소이온 교환막 전기분 해에 대해 진행되고 있다. 나피온은 수소이온 교환막으로 널리 쓰이지만, 비싼 비용과 다양한 다른 단점으로 인해 여러 가지 종류의 대체재가 개발되고 있다. 본 총설에서는 크게 나피온과 비나피온(non-Nafion) 기반 수소이온 교환막 수전해로 나누어 다루었다.

Water electrolysis is an efficient method to enrich heavy hydrogen isotopes (tritium and deuterium) in the aqueous phase. Although an alkaline water electrolyzer has been commercialized for mass production of hydrogen, such a method requires additional purification steps to remove electrolytes from the final concentrates. On the other hand, proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) does not require additional electrolyte treatment steps, and PEMWE is operated at higher current density compared to the alkaline water electrolysis. In this study, we investigated deuterium and tritium separation from light water by PEMWE. Separation behaviors at the anode and cathode were analyzed, and H/D and H/T separation factors were compared.

A simulation model was developed for heavy water pre-enrichment and detritiation by the Combined Electrolysis and Catalytic Exchange (CECE) process. In the CECE process, heavy water enrichment and detritiation are based on the principle that concentrated in to water phase through an isotopic exchange reaction between water vapor and hydrogen gas produced by a water electrolysis. An operational analysis for a liquid phase catalytic exchange column was carried out by the model equations, composed of a material balance and combined equilibrium relationships for a scrubbing and catalyst bed, respectively. As a result of simulation, the optimum flow ratio of water to the rising hydrogen gas in contact with the down-coming water was predicted as the key variables in the separation performance analysis at a given feed flow rate and isotopic composition. From a graphical approach based on this model, the operating conditions can be determined within the range where the operating line does not meet the combined equilibrium line before reaching the specified target concentration.

Water electrolysis is a representative technology for tritium enrichment in water. Proton exchange membrane (PEM) water electrolysis has received great attention to replace traditional alkaline water electrolysis which generates concentrated tritiated water containing a large amount of salts. Nafion has been widely used as a polymeric electrolyte for the PEM electrolyzer. However, its low gas barrier property causes explosion, corrosion or degradation of electrolyzer. Furthermore, the traditional polymeric electrolytes have negligible differences in conductivity between hydrogen isotopes. To enhance the tritium separation by water electrolysis, we designed a composite membrane (Nafion/ hexagonal boron nitride (hBN)). The monolayer hBN has a high proton conductivity and gas barrier property, and the hBN can enhance conductivity differences between hydrogen isotopes. We prepared Nafion/hBN composite membranes, and water electrolysis performances and proton/deuterium separation behaviors were investigated.

본 연구에서는 낮은 막 저항을 가지는 알칼리 수전해 시스템 적용을 위한 격리막 제조를 위하여 PPS (Polyphenylene sulfide)를 지지체로 사용하고 Polysulfone과 무기물 첨가제를 이용하여 격리막을 제조한 뒤, 지지체의 두께와 다공도에 대한 영향을 분석하였다. 지지체로 사용된 PPS 펠트를 온도(100°C, 150°C, 200°C)와 압력(1톤, 2톤, 3톤, 5톤)의 변수를 두어 압축을 진행 하여 두께를 조절하고자 하였으며, 무기입자로서 친수성이 높고 내알칼리성이 뛰어난 BaTiO3와 ZrO2를 사용하여 polysulfone과 함께 슬러리를 제조하고 압축한 PPS 펠트 위에 캐스팅하여 다공성 격리막을 제조할 수 있었다. 전자주사현미경(SEM)을 통해 압축 조건에 따른 분리막의 모폴로지 변화를 확인하고, 기공도를 계산하였으며, 압축 조건이 증가할수록 두께와 기공도가 감소하는 경향을 확인하였다. 수전해용 격리막으로서 사용이 가능한지를 확인하기 위하여 다양한 특성 평가를 진행하였다. 기계적강도를 측정한 결과 압축 조건(온도와 압력)이 증가할수록 인장강도가 점차 증가하는 경향을 확인하였다. 최종적으로 내알칼리성 테스트 를 통하여 제조한 다공성 격리막이 우수한 내알칼리성을 가지는 것을 확인하였고, I-V 테스트를 통하여 100°C와 150°C 조건에서 압축된 막들이 기존의 압축하지 않은 막보다 낮은 전압을 가지며 성능이 향상되었다는 것을 확인하였다.