막히던 해수 수전해 길 열렸다…‘자가회복’ 해수 수전해 기술 제시
[수소신문] 바닷물을 활용한 수소 생산의 걸림돌로 지적돼 온 침전물 문제를 시스템 구조 설계로 해결하는 기술이 개발됐다.
한국에너지기술연구원 SCI 융합연구단 한지형 박사 연구팀이 새로운 해수 수전해 시스템을 구현해 그동안 성능 저하, 공정 중단을 일으키던 침전물 형성 문제를 해결하고 향후 기술 고도화의 방향성을 제시했다.
최근 전 세계적인 담수 부족 문제로 인해 바닷물을 활용하는 해수 수전해 기술이 연구되고 있다.
그러나 해수 수전해 기술은 바닷물의 마그네슘, 칼슘 이온에서 발생한 침전물이 전극 표면에 쌓이면서 성능이 떨어지는 문제가 있어 비효율적이라는 시각이 있었다.
또 쌓인 침전물을 없애기 위한 산 세정, 기계적 세척 작업으로 인해 수소를 연속 생산할 수 없다는 것도 단점으로 지적됐다.
이를 극복하기 위해 에너지연 연구진은 세계 최초로 두 개의 전극을 적용한 새로운 시스템 구조를 구현했다.
한쪽 전극에서 수소를 생산하고 침전물이 쌓이는 동안 이미 침전물이 쌓인 다른 쪽 전극에서는 수소 생산을 멈추고 산성화된 해수를 이용해 침전물을 녹이는 원리다.
침전물이 다 녹으면 양 전극은 서로 역할을 바꿔 수소 생산과 침전물 제거를 동시에 진행할 수 있다.
연구진은 실험을 통해 48시간 주기로 각 전극의 역할을 바꿔주기만 하면 침전물 생성과 완전한 제거가 반복될 수 있음을 확인했다.
기존 단일 전극 기반의 해수 수전해 시스템은 200시간 운전 후 쌓인 침전물로 인해 에너지 소비량이 약 27% 증가했다.
반면 연구진이 개발한 시스템은 400시간 이상 장기 운전 후에도 에너지 소비량 증가가 1.8% 수준에 머물러 단일 전극보다 15배 높은 성능을 나타냈다.
또 400시간 운전 후 수소 생산 촉매의 함량은 초기보다 20% 감소해 53% 감소한 단일 전극 시스템 대비 높은 안정성을 보였다.
연구책임자인 한지형 책임연구원은 "이번 연구 결과는 해수 수전해 기술의 걸림돌인 침전물 문제를 시스템 구조 설계만으로 제어할 수 있음을 입증한 사례"라며 "특히 산성화된 해수를 활용해 전극이 스스로 회복되는 '자가 회복' 개념을 세계 최초로 제안해 향후 해수 수전해 기술 개발의 새로운 방향성을 제시한 것"이라고 말했다.
한편 이번 연구는 국가과학기술연구회 융합연구단사업의 지원을 받아 강원대 임주현 교수 연구팀과의 공동연구로 수행됐다.
연구결과는 에너지, 화학공학 분야의 국제 저명 학술지인 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 13.2) 3월호에 게재됐다.