재생에너지 변덕에 무관하게 수소 만든다

한국에너지기술연구원, 내구성 높은 수전해 전극 개발

이번 연구 성과가 게재된 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼스' 7월호 표지. 한국에너지기술연구원 제공

국내 연구진이 들쭉날쭉한 태양광, 풍력과 같은 재생에너지 전력에도 성능 저하가 없는 수전해 전극을 개발했다. 이산화탄소 배출이 없는 청정에너지 ‘그린수소’를 더욱 안정적으로 생산할 수 있게 될 것으로 기대된다.
   
한국에너지기술연구원은 김민중 수소연구단 책임연구원 연구팀이 재생에너지원으로부터 그린수소를 안정적으로 생산할 수 있는 고내구성 니켈-철 이중층 수전해 전극을 개발했다고 26일 밝혔다.

학계에서는 재생에너지와 연계했을 때 변동성에도 잘 견디는 수전해 장치를 개발하는 것이 주된 과제 중 하나다. 수전해는 물을 분해해 수소발생과 산소발생 반응이 동시에 일어나는데 문제는 전체 반응속도가 반응이 느린 산소발생 반응에 맞춰 진행되는 것이다. 재생에너지의 변동성으로 수전해 장치에 급격한 전압 상승이 발생해 전극이 쉽게 손상되고 전체의 성능이 저하되는 문제도 있다. 활성과 내구성을 가진 수전해 전극 개발이 필요한 이유다.

연구팀은 산소발생반응에 높은 활성을 가진 니켈-철 이중층 수산화물 전극의 철 이온 함량의 조절만으로 재생에너지의 급격한 변동성에도 성능 저하가 없는 수전해 전극을 개발했다.
  

계산과학을 통해 확인한 결과 이중층 구조를 구성하는 철 이온의 함량이 40% 이상일 경우 구조적 안정성이 극대화되는 것으로 나타났다. 하지만 이 단계에서 이론적인 최대 함량은 25% 수준으로 일반적인 촉매 소재 합성을 통해서는 40% 이상 함량의 구조를 구현하기는 어려웠다.

연구팀은 40% 이상의 고농도 철 이온을 포함하는 니켈-철 전극을 만들기 위해 철 소재의 부식 방법을 사용했다. 철 기재를 니켈 2가 이온의 용액에 담가 산소를 공급하면 부식반응에 의해 철2가, 3가 이온이 방출되고 동시에 수산화 이온이 생성된다. 이렇게 생성된 이온들이 만나 니켈-철 이중층 수산화물이 성장하는 과정을 반복하면서 철 이온 농도를 높게 유지할 수 있는 최적 조건을 찾아냈고 46%의 고농도 철 이온을 가진 전극 개발에 성공했다.

연구팀이 개발한 전극은 12시간 동안의 급격한 시작-정지 반복운전에도 성능저하 없이 안정적인 구동이 가능해 20% 이상의 성능저하를 보였던 일반적인 니켈-철 전극 대비 매우 우수한 동적 운전 내구성을 확보했다. 높은 산소발생반응 성능을 나타내 1 제곱센치(㎠)당 0.4암페어(A) 전류밀도에서 고위발열량(HHV) 기준 87.1%의 효율로 수소 생산이 가능했다. 2500㎠ 면적의 대면적화에도 성공해 상용 장치에서의 사용 가능성도 높였다.

김민중 책임연구원은 “선행연구로부터 지속된 연구와 계산과학의 활용을 통해 전극 소재 구조를 설계하고 이를 구현할 수 있는 전극 제작 기술을 발굴한 것이 이번 연구의 가장 큰 의의”라고 설명했다. 이어 “수전해 전극의 내구성 향상 기술은 재생에너지로부터 그린수소를 생산하기 위한 핵심 기술 중 하나이기에 보다 많은 관심과 지원이 필요하다”고 덧붙였다.

연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈’ 7월호 표지논문으로 게재됐다. 현재 수요기업에 기술 이전돼 사업화를 위한 협업이 진행되고 있다.

이번 연구를 통해 개발한 고내구성 수전해 전극 개념도. 변동성이 큰 재생 전력이 공급됐을 때 일반적인 니켈-철 이중층 수산화물의 성능은 큰 폭으로 저하되지만, 철 함량이 40% 이상인 전극은 성능 저하 없이 안정적으로 구동될 수 있다. 한국에너지기술연구원 제공

[박정연 기자 hesse@donga.com]