성능 저하없는 수소생산길 활짝…에너지硏 ‘고내구성 수전해 전극’ 개발

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 재생에너지의 급격한 부하변동에도 성능 저하없이 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 실마리를 찾았다.

한국에너지기술연구원은 수소연구단 조현석 박사 연구진이 재생에너지의 간헐성(전원 꺼짐켜짐 반복운전)으로 수전해 전극이 부식되는 것을 막기 위해 반응성이 더 큰 물질을 첨가하는 방식으로 내구성을 향상시키는 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

수전해 반응은 전극 표면에서 발생해 전극의 활성도가 수소 생산 효율에 크게 영향을 미친다. 알칼라인 수전해 장치는 대부분 니켈, 코발트, 철 등 상대적으로 저렴한 전이 금속을 바탕으로 한 전극을 이용하고 있으며 최근에는 인, 황, 붕소 등의 비금속 원소를 전이금속 전극 소재에 결합해 수소발생 활성도를 크게 향상시키기 위한 연구들이 진행되고 있다.

재생에너지 발전이 멈추면 음극에서 역전류 현상이 일어나 전극 표면이 산화되고, 반대로 발전량이 갑자기 많아지면 급격히 높아진 전압으로 양극 표면이 산화된다. 이렇듯 부하변동이 짧은 주기로 급격히 반복되면 전극이 손상돼 수전해 장치의 성능이 나빠진다. 부하변동에 효과적으로 대응할 수 있는 고내구성 전극 개발이 중요한 이유이다.

연구진은 고내구성 전극 개발에 앞서 부하변동 시 전극의 열화 거동을 확인하기 위해 전기도금 방법으로 제조된 비정질 코발트-인 전극을 수소발생반응 전극(음극)으로 적용했다. 우수한 초기 성능에도 불구하고 5시간의 전원 차단 시 전극 표면의 코발트가 코발트 수산화물로 비가역적 산화됨에 따라 수소발생 성능이 초기 대비 약 67% 정도 감소함을 확인했다.

연구진은 급격한 전원 차단 시 발생할 수 있는 코발트-인 전극의 비가역적인 산화를 억제하기 위해 금속의 부식 방지기술로 알려진 희생양극법에 착안해 코발트에 비해 반응성이 큰 망간이 첨가 된 망간-코발트-인 고내구성 전극을 제작했다.

망간-코발트-인 전극은 높은 초기 수소발생 성능을 보이면서 5시간의 전원 차단 이후에도 성능 저하가 거의 관찰되지 않았다. 또한 가속 내구 실험을 위한 50회의 시작/정지 운전 반복 실험 후에도 성능 저하율이 기존 코발트-인 전극 대비 50% 수준에 불과해 부하변동 상황에 대한 높은 내구성을 확인했다.

조현석 박사는 “이번에 개발한 부하변동 대응형 고내구성 전극은 재생에너지 연계 수전해 장치의 상용화를 위한 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있는 기술”이라며 “전극 원천 설계 기술로의 가치가 높아 향후 국내 수전해 소재부품 기술 경쟁력 강화에 큰 도움이 될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 영국왕립화학회에서 발행하는 재료·화학분야 국제학술지인 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A’ 8월호 표지논문으로 게재됐다.