바닷물로 수소 생산 시대 ‘성큼’

에너지연, 해수 수전해용 고성능 전극 개발

한국에너지기술연구원이 개발한 해수 수전해용 고성능 촉매가 적용된 전극의 합성공정 설명 이미지.한국에너지기술연구원 제공.

[충청투데이 윤경식 기자] 국내 연구진이 바닷물로 수소를 만드는 해수 수전해용 고성능 전극을 개발해 상용화 가능성을 확인했다.

한국에너지기술연구원(에너지연)은 한지형 박사 연구팀(SCI 융합연구단)이 고전류 환경에서도 장기간 안정적인 성능을 발휘하는 탄소섬유 기반 고성능 전극을 개발했다고 7일 밝혔다.

수전해 기술은 물을 분해해 수소를 생산하는 친환경 기술로 주로 담수를 사용하고 있지만, 담수 부족 문제로 인해 최근에는 바닷물을 직접 활용하는 해수 수전해 기술이 주목받고 있다.

해수 수전해 장치는 전극을 구성하는 촉매와 이를 고르게 분산하는 지지체에 따라 성능과 수명이 달라진다.

금속 재질의 지지체는 염소이온이 일으키는 부식에 취약해 수명에 한계가 있고, 대체재인 탄소섬유는 고전류와 100시간 이상 장기 운전 시 성능 저하와 구조 손상 문제가 발생해 상용화에 어려움을 겪어왔다.

이에 연구진은 최적의 산 처리 공정을 통해 수소 생산 효율을 높인 탄소섬유 기반 전극을 개발해 기존 전극의 단점을 극복했다.

산 처리된 탄소섬유 지지체는 높은 친수성으로 코발트, 몰리브덴, 루테늄 이온이 지지체 표면에 고르게 분산되도록 유도하며, 특히 루테늄이 지지체 전역에 고르게 분산돼 소량으로도 우수한 성능을 낼 수 있게 했다.

이를 통해 완성된 코발트-몰리브덴 촉매는 촉매 무게의 1% 수준의 루테늄 사용해 기존 촉매 대비 25%의 과전압을 낮추는 데 성공했으며, 동일 전류 밀도에서 1.3배 더 효율적인 수소 생성 반응을 이끌었다.

또 제곱센티미터당 500 밀리암페어(500mA/cm²)의 고전류 조건에서 800시간 이상 연소 운전 시 초기 성능을 유지해 높은 내구성과 구조적 안정성을 나타냈으며, 대면적 전극 합성에도 실용화에 대한 가능성도 확인됐다.

한지형 박사는 "이번 기술은 탄소섬유 지지체 기반 전극을 적용한 해수 수전해 중 산업화 수준의 고전류 조건으로 한 달 이상 장기 운전에 성공한 세계 최초 사례"라며 "향후 1000시간 이상 장기 운전 평가와 대면적 셀 기반의 모듈화·스택화 연구를 통해 실증 수준으로 기술을 확장할 계획"이라고 말했다.

윤경식 기자 ksyoon1102@cctoday.co.kr