UNIST "수전해 장치 초기 성능 저하 원인·예방법 찾았다"

백금 촉매 뭉침 현상 탓…건식 구동 방식으로 성능 저하 감소

연구진 모습 왼쪽부터 UNIST 권영국 교수, 공태훈 연구원(제1저자). [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

(울산=연합뉴스) 김용태 기자 = 물에서 수소를 생산하는 수전해 장치의 초기 성능 저하 원인과 예방법을 울산과학기술원(UNIST) 연구진이 밝혀냈다.

31일 UNIST는 에너지화학공학과 권영국 교수팀이 음이온 교환막 수전해 장치의 초기 성능 저하 현상이 음극 쪽 백금 촉매 입자의 뭉침 현상 때문이라는 사실을 규명했다고 밝혔다.

연구팀은 또 액체 전해질을 음극에 직접 공급하지 않는 '건식 구동 조건'이 이 현상을 예방하는 데 효과적이라는 사실을 확인했다.

수전해는 전기로 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다.

그중에서도 음이온 교환막 수전해 장치는 내식성이 뛰어나고 경량화할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 운전 초기 수 시간 내 전압이 빠르게 상승해 생산 효율이 급격히 떨어지는 '초기 열화' 문제가 지속해서 제기돼 왔다.

전압이 오를수록 같은 양의 수소를 생산하는 데 더 많은 에너지가 들기 때문이다.

연구팀은 초기 열화의 90% 이상이 수소 기체가 발생하는 음극에서 나타난다는 점을 자체 개발한 분석법을 이용해 알아냈다.

분석 결과 이는 백금 촉매 입자가 뭉치며 반응성이 떨어진 탓으로, 음극의 수분이 주요 원인으로 나타났다.

연구팀이 음극에 건식 구동 조건을 적용하자 초기 40시간 동안 누적 전압 상승량이 약 163㎷에서 96㎷로 감소했다.

이는 수소 생산 효율이 더 오래 유지됐다는 의미다.

제1저자인 공태훈 연구원은 "양극에는 비교적 확립된 습식 구동 조건이 적용되고 있지만, 음극의 경우 습식과 건식이 혼용되고 있었다"며 "이번 연구로 습식 구동 시 수분이 수소 기체를 가두고, 백금 입자의 뭉침을 유도해 초기 열화를 일으킨다는 점을 실험적으로 입증했다"고 설명했다.

권영국 교수는 "단순한 조건 조절만으로 수전해 장치의 장기 안정성을 높일 수 있다는 점에서 상용화에 중요한 실마리를 제시한 연구"라며 "새로운 분석법은 전극 소재 개발, 셀 내구성 평가, 전극 설계 최적화에도 쓸 수 있을 것"이라고 말했다.

연구 결과는 에너지 환경과학 분야 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스'(ACS Energy Letters)에 지난 3일 온라인으로 게재됐다.

연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견과제 등의 지원을 받았다.

yongtae@yna.co.kr

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