최근 수소가 친환경적인 에너지 저장매체로 주목을 받으면서 크기가 작고 가벼운 수소를 효과적으로 저장하고 운송하는 방법에 관해 많은 연구가 이루어지고 있다. 그 중 액체유기수소운반체(Liquid Organic Hydrogen Carrier; LOHC)는 상온에서 액체 상태로 수소를 저장하는 물질로, 수소의 저장과 운송을 용이하게 할 수 있어 많은 관심을 받고 있다. 특히 톨루엔은 수소저장반응(수소화 반응)에 대한 높은 선택도와 준수한 수소저장밀도를 가지고 있을 뿐만 아니라, 액체 운송의 효율성을 결정하는 동점도 또한 낮아 우수한 LOHC 물질로 평가되고 있다. 하지만 수전해를 이용해 생산한 그린 수소를 톨루엔에 저장하기 위해서는, 수전해로 그린 수소를 생산한 뒤 열촉매 수소화 반응을 통해 톨루엔에 수소를 저장하는 2단계 공정이 필요하다. 이 과정에서 상당한 에너지가 소비된다는 단점이 있다. 이를 극복하기 위한 방법으로 최근에는 열촉매 수소화 반응 없이 수전해를 통해 직접 톨루엔에 수소를 저장하는 전기화학적 톨루엔 수소화 기술에 대한 관심이 급증하고 있다.
본 연구에서는 전기화학적 톨루엔 수소화를 위한 양성자이온교환막(Proton Exchange Membrane; PEM) 전해조의 막음극접합체(Membrane Cathode Assembly; MCA) 제조 조건에 따른 PEM 전해조 성능의 거동에 대해 심도 있게 조사하였다. MCA 제조에 사용한 촉매(PtRu/C)의 양이 증가할수록 PEM 전해조 성능이 향상되는 것으로 나타났으며, 이때 촉매량 증가에 따라 두꺼워지는 촉매층에서 원활한 양성자 전달을 위해 필요한 아이오노머의 양도 증가함을 알 수 있었다. 또한 높은 촉매함량에서는 촉매층의 두께가 두껍게 형성되기 때문에 더 많은 아이오노머가 필요하다는 것을 알아냈다. 이후 MCA 제조방법과 다공성수송층(Porous Transport Layer; PTL)의 종류에 따른 촉매층 형성 상태와 이로 인한 PEM 전해조의 거동을 살펴보았다. 멤브레인에 직접 촉매층을 형성하는 CCM (Catalyst Coated Membrane) 공정을 이용하면 균일한 촉매층 형성이 가능하였으나, PEM 전해조 구동 시 발생하는 멤브레인의 팽윤 현상에 의해 촉매층 균열이 야기되어 전류밀도가 증가할수록 옴 저항이 증가하는 경향을 보였다. CCS (Catalyst Coated Substrate) 공정의 경우 PTL에 촉매층을 형성하기 때문에 PEM 전해조 구동 시 옴 저항의 변동은 나타나지 않았지만, PTL 내부로 촉매가 깊이 침투함에 따라 활성 촉매의 손실이 발생하여 높은 키네틱과전압을 보였다. 동일한 MCA 제조방법에서는 미세다공성층(MicroPorous Layer; MPL)이 있어 비틀림 정도가 적은 PTL이 물질전달 측면에서 이점을 가졌으며, 특히 CCS 공정에서 MPL이 촉매의 PTL 내 침투를 억제하여 활성 촉매 손실을 줄일 수 있었다. 이러한 조사를 기반으로 MCA 제조 조건을 최적화하였으며, MPL이 있는 PTL을 이용하여 CCS 공정으로 형성한 MCA가 가장 높은 PEM 전해조 성능(539 mA/cm² @ 2 V)을 나타내는 것을 확인했다.