한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 조현석 수소연구단 책임연구원팀이 급격한 재생에너지 '부하변동'에도 성능 저하 없이 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 수전해 전극을 구현했다고 24일 밝혔다.
재생에너지는 전원 켜짐과 꺼짐이 반복되는 '간헐성'을 가진다. 발전이 멈추면 음극에서 역전류 현상이 일어나 전극 표면이 산화되고 발전량이 갑자기 많아지면 급격히 높아진 전압으로 양극 표면이 산화된다. 이런 부하변동이 급격히 반복되면 전극이 손상돼 수전해 장치 성능이 나빠진다. 고내구성 전극 개발이 중요한 이유다.
연구진은 전극에 반응성이 더 큰 물질을 첨가하는 방식으로 내구성을 향상시키는 기술을 찾아내고 원리를 규명했다.
먼저 부하변동 시 전극 열화를 확인하기 위해 전기도금 방법으로 제조한 비정질 코발트-인 전극을 수소발생반응 전극(음극)으로 적용했다. 이때 5시간 전원 차단 시 전극 표면 코발트가 코발트 수산화물로 산화돼 수소발생 성능이 초기 대비 약 67% 정도 감소함을 확인했다.
연구진은 이어 금속 부식 방지기술로 알려진 '희생양극법'에 착안해 코발트 대비 반응성이 큰 망간을 첨가해 망간-코발트-인 고내구성 전극을 제작했다. 희생양극법은 반응성이 높은 희생금속 양극을 전기적으로 연결해 대신 부식되게 하는 기술이다.
망간-코발트-인 전극은 초기 수소발생 성능이 높으면서, 5시간 전원 차단 이후에도 성능 저하가 거의 관찰되지 않았다. 50회 시작·정지 운전 반복 실험 후에도 성능 저하율이 기존 코발트-인 전극 대비 50% 수준에 불과했다. 부하변동 상황에 대한 높은 내구성을 확인했다.
연구진은 다양한 전기화학적 분석, 구조 분석, 인시츄 X-선 흡수 분광법 등으로 급격한 전원 차단시 산화과정 상세기작도 규명했다. 희생양극인 망간이 대신 산화돼 부하변동 고내구성을 가지게 하는 주요 요인임을 밝혔다.
조현석 책임연구원은 “개발 고내구성 전극은 재생에너지 연계 수전해 장치의 상용화를 위한 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있는 기술”이라며 “향후 국내 수전해 소재·부품 기술 경쟁력 강화에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발과 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발 사업 지원을 받아 수행됐으며, 기술 특허 국내, 유럽 출원이 완료됐다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
