에너지연, 부하변동 대응형 수전해 전극 개발

국내 연구진이 재생에너지의 급격한 부하변동에도 성능 저하 없이 안정적인 수소 생산을 가능케하는 실마리를 찾았다.

24일 한국에너지기술연구원에 따르면 수소연구단 조현석 박사 연구팀은 재생에너지의 간헐성(전원 꺼짐·켜짐 반복)으로 수전해 전극이 부식되는 것을 막기 위해 반응성이 더 큰 물질을 첨가하는 방식으로 내구성을 향상시키는 기술을 찾아내고 규명하는 데 성공했다.

재생에너지로 수소를 만들 때의 핵심은 불안정하고 급격한 전력생산 변화에 전극이 버틸 수 있도록 설계하는 것이다.

재생에너지 발전이 멈추면 음극에서 역전류 현상이 일어나 전극 표면이 산화되고, 반대로 발전량이 갑자기 많아지면 급격히 높아진 전압으로 양극 표면이 산화된다.

이렇듯 부하변동이 짧은 주기로 급격히 반복되면 전극이 손상돼 수전해 장치의 성능이 나빠진다.

연구팀은 고내구성 전극 개발에 앞서 부하변동 시 전극의 열화 거동을 확인하기 위해 전기도금 방법으로 제조된 비정질 코발트-인 전극을 수소발생반응 전극(음극)으로 적용했다.

우수한 초기 성능에도 불구하고 5시간의 전원 차단 시 전극 표면의 코발트가 코발트 수산화물로 비가역적 산화됨에 따라 수소발생 성능이 초기 대비 약 67% 정도 감소함을 확인했다.

연구진은 급격한 전원 차단 시 발생할 수 있는 코발트-인 전극의 비가역적인 산화를 억제하기 위해 금속의 부식 방지기술로 알려진 희생양극법에 착안해 코발트에 비해 반응성이 큰 망간이 첨가 된 망간-코발트-인 고내구성 전극을 제작했다.

또 연구진은 다양한 전기화학적 분석, 구조 분석, 인시츄 X-선 흡수 분광법을 이용한 분석 결과를 바탕으로 급격한 전원 차단시 발생하는 인과 결합한 코발트 금속의 산화과정에 대한 상세기작을 규명했다.

아울러 첨가된 망간이 희생양극으로 대신 산화돼 코발트-인 결합을 계속 유지하고 코발트의 비가역적 산화를 억제하는 기작이 급격한 부하변동에 대한 고내구성을 가질 수 있게 하는 주요 요인임을 밝히는데 성공했다.

조현석 박사는 “이번에 개발한 부하변동 대응형 고내구성 전극은 재생에너지 연계 수전해 장치의 상용화를 위한 신뢰성 향상에 크게 기여할 수 있는 기술”이라며 “전극 원천 설계 기술로의 가치가 높아 향후 국내 수전해 소재·부품 기술의 경쟁력 강화에 큰 도움이 될 수 있을 것”이라고 설명했다.