희생 양극으로의 Mn 도입 효과를 보다 쉽게 이해하기 위한 모식도(그림제공:에너지연) © 뉴스1

한국에너지기술연구원 수소연구단 조현석 박사 연구진이 재생에너지의 급격한 부하변동에도 성능 저하 없이 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 실마리를 찾았다.24일 에너지연에 따르면 연구진은 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.

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.

부하변동에 효과적으로 대응할 수 있는 고내구성 전극 개발이 중요한 이유이다.이에 연구진은 급격한 전원 차단 시 발생할 수 있는 코발트-인 전극의 비가역적인 산화를 억제하기 위해 금속의 부식 방지기술로 알려진 희생양극법에 착안했다.

이를 통해 코발트에 비해 반응성이 큰 망간이 첨가 된 망간-코발트-인 고내구성 전극을 제작했다.

실제, 망간-코발트-인 전극은 높은 초기 수소 발생 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.

더 나아가 연구진은 △다양한 전기화학적 분석 △구조 분석 △인시츄 X-선 흡수 분광법을 이용한 분석 결과를 바탕으로 급격한 전원 차단시 발생하는 인과 결합한 코발트 금속의 산화 과정에 대한 상세기작을 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 밝히는 데 성공했다.

조현석 박사는 “전극 원천 설계 기술로의 가치가 높아 향후 국내 수전해 소재·부품 기술경쟁력 강화에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구성과는 재료·화학분야의 국제학술지인 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A’ 8월호의 표지논문으로 게재됐다.


km5030@news1.kr