▲ Journal of Materials Chemistry A (Inside back cover) 표지= CoP로 구동되는 장치는 Co가 비가역적으로 산화되어 부식됨에 따라 물속에서 제대로 구동되지 못하고 가라앉지만, Mn이 포함된 경우 부식을 억제해 지속적으로 구동이 가능함을 잠수함에 빗대어 표현

한국에너지기술연구원 수소연구단 조현석 박사팀이 재생에너지의 급격한 부하변동에도 성능 저하 없이 안정적으로 수소를 생산할 수 있는 실마리를 찾았다.

연구진은 재생에너지의 간헐성(전원 꺼짐켜짐 반복운전)으로 수전해 전극이 산화되는 것을 막기 위해 반응성이 더 큰 물질을 첨가하는 방식으로 내구성을 향상시키는 기술을 찾아내고 원리를 규명하는데 성공했다.

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 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.

희생양극법은 피방식 금속에 보다 더 반응성이 높은 희생금속 양극을 전기적으로 연결하여 희생금속 양극이 대신 부식되면서 부식을 방지하는 기술이다.

망간-코발트-인 전극은 높은 초기 수소발생 성능을 보이면서 5시간의 전원 차단 이후에도 성능 저하가 거의 관찰되지 않았다.

또한 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.

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 밝혀냈다.

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.

이번 연구는 연구성과는 영국왕립화학회에서 발행하는 재료·화학분야의 국제학술지인 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A(Journal of Materials Chemistry A)’ 8월 호의 표지논문(Inside Back cover)으로 게재됐으며, ‘부하변동 대응형 수소 발생 전극 및 이의 제조방법’ 기술 특허를 국내와 유럽에 각각 출원을 완료했다.