변덕스러운 재생에너지 발전 환경서도 안정적 그린수소 생산

태양광이나 풍력발전은 날씨에 따라 발전량의 변동성이 심하다. 이에 따라 신재생에너지로 물을 전기분해해 수소와 산소를 생산하는 수전해 장치의 전극이 손상을 입기 쉽다.

국내 연구진이 재생에너지 전력 환경에서도 성능 저하가 없는 수전해 전극을 개발했다. 한국에너지기술연구원(원장 이창근)은 수소연구단 김민중 박사 연구진이 재생에너지원으로부터 그린수소를 안정적으로 생산할 수 있는 고내구성 니켈-철 이중층 수전해 전극을 개발했다고 26일 밝혔다.

이산화탄소 배출 없는 그린수소를 더욱 안정적으로 생산할 수 있으리란 기대다.

연구진이 재생에너지 연계 그린수소 생산을 위해 개발한 고내구성 Ni-Fe LDH 전극을 들고 있다. (사진=에너지연)

2050 탄소중립 달성을 위해 국내 그린수소 소요량은 2천790만 톤으로 급격히 증가할 전망이다. 이에 따라 재생에너지와 연계해 변동성에도 잘 견디는 수전해 장치 개발이 필요하다.

연구진은 산소발생 반응에 높은 활성을 가진 니켈-철 이중층 수산화물 전극의 철 이온 함량을 조절하는 것만으로 재생에너지의 급격한 변동성에도 성능 저하가 없는 수전해 전극을 개발했다.

연구진은 계산과학을 통해 이중층 구조를 구성하는 철 이온의 함량이 40% 이상일 경우 구조적 안정성이 극대화됨을 확인했다. 하지만 이론적 최대 함량은 25% 수준으로, 일반적 촉매 소재 합성을 통해서는 40% 이상 함량의 구조를 구현하기는 어렵다.

이에 40% 이상의 고농도 철 이온을 포함하는 니켈-철 전극을 만들기 위해 철 소재의 부식 방법을 사용했다. 철 기재를 니켈 2가 이온의 용액에 담가 산소를 공급하면 부식반응에 의해 철2가, 3가 이온이 방출되고 동시에 수산화 이온이 생성된다. 이렇게 생성된 이온들이 만나 니켈-철 이중층 수산화물이 성장하는 과정을 반복하면서 철 이온 농도를 높게 유지할 수 있는 최적 조건을 찾아냈다. 이를 통해 46%의 고농도 철 이온을 가진 전극을 개발했다.

이 전극은 12시간 동안의 급격한 시작-정지 반복운전에도 성능저하 없이 안정적 구동이 가능하다. 기존의 일반적인 니켈-철 전극은 20% 이상의 성능저하를 보였다. 산소발생반응 성능도 높았다. 0.4A/㎠ 전류밀도에서 87.1%(HHV)의 효율로 수소 생산이 가능하고, 2500㎠ 면적에서도 작동에 성공해 상용화 가능성을 높였다.

수소연구단 김민중 박사는 "선행연구로부터 지속된 연구와 계산과학의 활용을 통해 전극 소재 구조를 설계하고 이를 구현할 수 있는 전극 제작 기술을 발굴한 것이 이번 연구의 가장 큰 의의"라며 "수전해 전극의 내구성 향상 기술은 재생에너지로부터 그린수소를 생산하기 위한 핵심 기술 중 하나"라고 밝혔다.