들쭉날쭉 재생에너지서 `그린수소` 안정적 생산…변동성 대응 `수전해 전극`

에기연, 니켈-철 이중층 수전해 전극 개발
운전 내구성 확보, 높은 효율로 수소 생산

한국에너지기술연구원은 변동성을 지닌 재생에너지원에서 그린수소를 안정적으로 생산할 수 있는 '니켈-철 이중층 수전해 전극'을 개발했다. 사진은 연구진이 개발한 '고내구성 니켈-철 이중층 수전해 전극' 에너지연 제공

태양광, 풍력 등 변동성을 지닌 재생에너지 전력에도 성능 저하가 없는 수전해 전극이 개발됐다. 이산화탄소 배출이 없는 청정에너지인 그린 수소를 더욱 안정적으로 생산할 수 있는 토대가 될 전망이다.

한국에너지기술연구원은 김민중 수소연구단 박사 연구팀이 재생에너지원으로부터 그린수소를 안정적으로 생산할 수 있는 '니켈-철 이중층 수전해 전극'을 개발했다고 26일 밝혔다.

수전해는 수소 분야의 핵심 기술 중 하나로, 그린수소 생산을 위해선 재생에너지와 연계해 변동성에 잘 견디는 수전해 장치 개발이 시급한 실정이다. 수전해는 물을 분해해 수소와 산소 발생 반응이 동시에 일어나는데, 재생에너지와 연계하면 변동성으로 인해 수전해 장치에 급격한 전압 상승이 발생해 전극이 쉽게 손상되고, 전체 성능이 저하되는 문제가 있다. 이 때문에 높은 활성과 내구성을 가진 수전해 전극 개발이 필요하다.

연구팀은 산소발생 반응에 높은 활성을 가진 니켈-철 이중층 수산화물 전극의 철 이온 함량을 조절해 재생에너지의 급격한 변동성에도 성능 저하가 없는 수전해 전극을 개발했다. 이 과정에서 철 소재의 부식 방법을 이용해 철 이온 농도를 높게 유지하는 최적의 조건을 찾아내 46%의 고농도 철 이온을 가진 전극을 구현한 것이다.

이중층 구조를 구성하는 철 이온의 함량이 40% 이상일 때, 구조적 안정성이 극대화되지만, 이론적인 최대 함량은 25% 수준으로, 일반적인 촉매 소재 합성을 통해 40% 이상 함량의 구조를 구현하기 어려웠다.

이 전극은 12시간 동안 급격한 시작-정지 반복 운전에도 성능저하 없이 안정적으로 구동했다. 이는 20% 이상의 성능 저하를 보이는 일반적인 니켈-철 전극와 비교해 매우 우수한 내구성을 나타낸 것이다. 또한 높은 산소발생 반응 성능을 통해 1 ㎠당 0.4암페어(A) 전류밀도에서 고위발열량(HHV) 기준 87.1%의 효율로 수소를 생산했다. 2500㎠ 면적의 대면적화에도 성공해 상용 장치에서의 사용 가능성도 높였다.

김민중 에기연 박사는 "수전해 전극의 내구성 향상 기술은 재생에너지로부터 그린수소를 생산하기 위한 핵심 기술로, 2050 탄소중립 달성을 위해 기술 고도화 연구가 지속적으로 이뤄져야 한다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(7월호)' 표지 논문으로 게재됐다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr