에너지연, 니켈-철 수산화물 고내구성 전극 개발…'들쭉날쭉' 재생에너지 변동성 견뎌

에너지연 연구진이 재생에너지 연계 그린수소 생산을 위해 개발한 고내구성 Ni-Fe LDH 전극을 들어 보이고 있다.

이산화탄소 배출이 없는 '그린수소'를 더욱 안정적으로 생산할 수 있게 됐다. 들쭉날쭉한 태양광, 풍력과 같은 재생에너지의 변동성에도 성능저하가 없는 수전해 전극이 개발됐다.

한국에너지기술연구원(원장 이창근)은 수소연구단의 김민중 박사팀이 재생에너지원으로부터 그린수소를 안정적으로 생산할 수 있는 고내구성 니켈-철 이중층 수전해 전극을 개발했다고 26일 밝혔다.

수전해는 물을 분해해 수소와 산소가 동시에 발샐하는데, 반응이 느린 산소발생에 전체 반응이 맞춰 진행된다.

또 재생에너지 변동성으로 수전해 장치에 급격한 전압 상승이 발생, 전극이 쉽게 손상되고 전체 성능도 떨어진다. 높은 활성·내구성을 갖는 수전해 전극 개발이 필요하다.

연구진은 산소발생반응에 높은 활성을 가진 니켈-철 이중층 수산화물 전극의 철 이온 함량 조절로 급격한 재생에너지 변동성에도 성능 저하가 없는 수전해 전극을 개발했다.

계산과학으로 철 이온 함량이 40% 이상일 때 안정성이 극대화됨을 확인했다. 문제는 일반적인 촉매 소재 합성으로는 40% 이상 함량 구조를 구현하기 어렵다는 것이다.

연구진은 철 소재 부식 방법을 사용했다. 철 기재를 니켈 2가 이온 용액에 담가 산소를 공급하면 부식반응으로 철2가, 3가 이온이 방출되고 동시에 수산화 이온이 생성된다.

이렇게 생성한 이온들이 만나 니켈-철 이중층 수산화물 성장 과정을 반복하면서 철 이온 농도를 높게 유지할 수 있는 최적 조건을 찾아냈고, 결국 46% 고농도 철 이온을 가진 전극 개발에 성공했다.

개발 전극은 12시간의 급격한 시작-정지 반복운전에도 성능저하 없이 안정적인 구동이 가능하다.

또 높은 산소발생반응 성능을 나타냈다. 0.4A/㎠ 전류밀도에서 87.1%(HHV) 효율로 수소 생산이 가능하고, 2500㎠ 면적 스케일업에도 성공했다. 상용 장치 사용 가능성을 높였다.

김민중 박사는 “수전해 전극 내구성 향상 기술은 재생에너지로부터 그린수소를 생산하는 핵심기술 중 하나로 보다 많은 관심과 지원이 필요하다”고 강조했다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com