수소 생산용 백금 전극, 니켈로 대체 성공…원가 99%↓

수소가 기후변화와 탄소 중립에 대응할 핵심 에너지가 될수 있다. 수소를 분리할 수전해 기술 연구가 활발한 이유다. 그러나 아직까지 경제성을 맞춘 기술은 거의 없었다.

한국에너지기술연구원이 경제성 문제를 풀 단초를 마련했다. 원가를 최대 99%까지 낮출 니켈 및 코발트 합금 공존구조 전극을 개발한 것.

그동안 수입에 의존하던 알카라인 수전해 분야에서 금이나 루테늄 등 값비싼 귀금속 전극을 대체, 국산화할 길도 열렸다.

연구는 한국에너지기술연구원 강경수 수소에너지연구소장(책임연구원)과 이현준 수소에너지연구소 선임연구원 중심으로 수행했다.

수전해는 물을 분해해 수소를 얻는 친환경 기술이다. 현재 총 4개 수전해 방법이 있다. 알라라인과 PEM(양이온 교환막), AEM(음이온 교환막), SO(고온) 수전해 등이다.

에너지기술연구원 연구팀은 가운데 알카라인 수전해 기술을 대상으로 전극 기술을 개발했다. 알카라인은 설비비가 적어 대규모 수소 생산에 유리하다. 그러나 다른 수전해 기술에 비해 수소 생산 속도가 느리다는 단점이 있다.

알카라인 환경에서는 물을 쪼개고 수소를 만드는 반응이 산성 환경보다 최소 100배는 더 느리게 일어나기 때문이다. 백금, 루테늄 등 귀금속 전극을 사용하면 반응 속도를 높일 수 있지만 값이 비싸 대량 생산 단계로 넘어가기 어려웠다.

실제 귀금속 원가는 백금이 약 58달러(그램당), 루테늄이 약 54달러(그램당)다. 반면 한국에너지술연구원이 개발한 전극 재료 원가는 니켈 약 0.02달러(그램당), 코발트 약 0.05달러(그램당)에 불과하다.

연구팀은 귀금속 전극을 대체하기 위해, 물 분해를 촉진하는 산화니켈과 수소 발생 반응에 유리한 니켈-코발트 합금을 하나의 전극 표면에 함께 배치한 ‘이종 구조 전극’을 새롭게 설계했다.

산화니켈은 알칼라인 수전해에서 가장 느리게 진행되는 물 분해 단계를 앞당기고, 니켈-코발트 합금은 수소 발생 반응을 높여 전반적인 반응 속도를 함께 끌어올리는 원리다.

개발된 전극은 같은 조건의 상용 백금 전극 대비 40% 수준의 전압만으로도 수소 발생 반응을 일으켰다. 이는 최근 3년간 보고된 비 귀금속계 알칼라인 전극 중 최상위권에 해당하는 수치다.

실험결과 상용 백금 전극은 10mA/cm²에서 과전압 56.5mV 기록하지만, 연구팀이 개발한 전극은 동일 조건에서 과전압 22.7mV를 기록했다. 상용 백금 전극 대비 40% 수준이다.

연구팀은 산업 현장에서도 테스트했다. 전극이 적용된 지름 8.7cm의 단위 전지는 전극을 넣지 않은 니켈 전극보다 11% 낮은 전압을 기록했다. 또 600회 이상 가동과 중단을 반복하는 테스트 이후에도 내구성이 떨어지지 않는다는 것을 확인했다.

연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 사이언스'(IF=4.1, JCR 상위 10% 이내)에 온라인으로 공개됐다. 또 오는 10월 14일 발간될 책자의 뒷면 표지 논문으로 선정됐다.

논문 제1저자는 이진우 한국에너지기술연구원 수소연구단 석사연구원이다. 엄경빈 서울대 박사 연구원과 홍가은 한국에너지기술연구원 수소에너지연구소 연구원(고려대 석사과정생)은 공동 제1저자다.

이현준 선임연구원은 "직경 40cm 수준의 대형화를 진행했다. 최적화를 통해 대면적 양산화 연구를 진행중"이라며 "향후 5,000cm² 이상의 면적으로 키워 메가와트급에 대응할 수 있는 알카라인 수전해에 적용할 계획"이라고 말했다.

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