한국에너지기술연구원 조현석 수소연구단 책임연구원팀
희생 양극인 망간 도입 효과 설명 모식도/한국에너지기술연구원 제공
한국에너지기술연구원 조현석 수소연구단 책임연구원팀이 급격한 재생에너지 ‘부하변동’에도 성능 저하 없이 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 수전해 전극을 구현했다.
연구팀은 재생에너지의 간헐성으로 인해 수전해 전극이 산화되는 것을 막기 위해 반응성이 더 큰 물질을 첨가하는 방식으로 내구성을 향상시키는 기술을 찾아내고 원리를 규명하는데 성공했다.
발전이 멈추면 음극에서 역전류 현상이 일어나 전극 표면이 산화되고 발전량이 갑자기 많아지면 급격히 높아진 전압으로 양극 표면이 산화된다.
부하변동이 급격히 반복되면 전극이 손상돼 수전해 장치 성능이 나빠지는 만큼 고내구성 전극 이 필요하다.
연구팀은 급격한 전원 차단 시 발생할 수 있는 코발트-인 전극의 비가역적인 산화를 억제하기 위해 금속의 부식 방지기술로 알려진 희생양극법에 착안했다.
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 내구성도 확인했다.
연구팀은 다양한 전기화학적 분석, 구조 분석, 인시츄 X-선 흡수 분광법 등으로 급격한 전원 차단 시 산화과정 상세기작도 규명했다.
또 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 밝혀냈다.
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 연구성과는 재료·화학분야의 국제학술지인 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A’ 8월호의 표지논문으로 게재됐다.
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