[국토경제신문 장신애 기자] 한국에너지기술연구원은 조현석 수소연구단 책임연구원팀이 급격한 재생에너지 ‘부하변동’에도 성능 저하 없이 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 수전해 전극을 개발했다고 24일 밝혔다.

에기연은 연구진이 재생에너지의 간헐성(전원 꺼짐·켜짐 반복운전)으로 수전해 전극이 산화(부식)되는 것을 막기 위해 반응성이 더 큰 물질을 첨가하는 방식으로 내구성을 향상시키는 기술을 찾아내고 원리를 규명하는데 성공했다.

물을 전기분해해 수소를 만드는 수전해 반응은 전극 표면에서 발생해 전극의 활성도가 수소 생산 효율에 크게 영향을 미친다.
알칼라인 수전해 장치는 대부분 니켈·코발트·철 등 상대적으로 저렴한 전이 금속을 바탕으로 한 전극을 이용하고 있다.
최근에는 인· 황·붕소 등의 비금속 원소를 전이금속 전극 소재에 결합해 수소발생 활성도를 크게 향상시키기 위한 연구들이 진행되고 있다.

일반적인 수전해 연구에서는 일정한 작동 조건에서 활동성과 내구성을 향상시키기 위한 연구에 초점을 맞췄지만, 재생에너지로 수소를 만들 때의 핵심은 불안정하고 급격한 전력생산 변화에 전극이 버틸 수 있도록 설계하는 것이다.

연구진은 급격한 전원 차단할 때 발생할 수 있는 코발트-인 전극의 비가역적인 산화를 억제하기 위해 금속의 부식 방지기술로 알려진 희생양극법에 착안, 코발트에 비해 반응성이 큰 망간이 첨가 된 ‘망간-코발트-인 고내구성 전극’을 제작했다.

망간-코발트-인 전극은 높은 초기 수소발생 성능을 보이면서 5시간의 전원 차단 이후에도 성능 저하가 거의 관찰되지 않았다.
또 가속 내구 실험을 위한 50회의 시작·정지 운전 반복 실험 후에도 성능 저하율이 기존 코발트-인 전극 대비 50% 수준에 불과해 부하변동 상황에 대한 높은 내구성을 확인했다.

특히 다양한 전기화학적 분석, 구조 분석, 인시츄 X-선 흡수 분광법을 이용한 분석 결과를 바탕으로 급격한 전원 차단시 발생하는 인과 결합한 코발트 금속의 산화과정에 대한 상세기작도 규명했다.
동시에 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 밝히는데도 성공했다.

에기연 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 말했다.