월간전기

한국에너지기술연구원(이하 에너지연) SCI 융합연구단 연구팀이 새로운 해수 수전해 시스템을 구현해 그간 성능 저하 및 공정 중단을 일으키던 침전물 형성 문제를 해결하고, 향후 기술 고도화의 방향성을 제시했다. 이번 연구는 국가과학기술연구회 융합연구단사업의 지원을 받아 강원대 임주현 교수 연구팀과의 공동연구로 수행됐으며, 해수 수전해 기술의 걸림돌인 침전물 문제를 시스템 구조 설계만으로 제어할 수 있음을 입증했다.

‘수전해’란 물을 분해하여 친환경 에너지원인 수소(H2)를 생산하는 기술이다. 최근에는 전 세계적인 담수 부족 문제로 인해 바닷물을 활용하는 ‘해수 수전해’ 기술이 연구되고 있는데, 이 기술은 바닷물의 마그네슘, 칼슘 이온에서 발생한 침전물이 전극 표면에 쌓이면서 성능이 떨어지는 문제가 있다. 또 쌓인 침전물을 없애기 위한 산(酸) 세정, 기계적 세척 작업으로 인해 수소를 연속 생산할 수 없다는 것도 단점으로 지적됐다.

에너지연 연구진은 해수 수전해에서의 침전물 문제를 극복하기 위해, 세계 최초로 두 개의 전극을 적용한 새로운 시스템 구조를 구현했다. 한쪽 전극에서 수소를 생산하고 침전물이 쌓이는 동안, 이미 침전물이 쌓인 다른 쪽 전극에서는 수소 생산을 멈추고 산성화된 해수를 이용해 침전물을 녹이는 원리다.

침전물이 다 녹으면, 양 전극은 서로 역할을 바꿔 수소 생산과 침전물 제거를 동시에 진행할 수 있다. 연구진은 실험을 통해 48시간 주기로 각 전극의 역할을 바꿔주기만 하면 침전물 생성과 완전한 제거가 반복될 수 있음을 확인했다.

기존 단일 전극 기반의 해수 수전해 시스템은 200시간 운전 후, 쌓인 침전물로 인해 에너지 소비량이 약 27% 증가했다. 반면, 연구진이 개발한 시스템은 400시간 이상 장기 운전 후에도 에너지 소비량 증가가 1.8% 수준에 머물러, 단일 전극보다 15배 높은 성능을 나타냈다. 또 400시간 운전 후 수소 생산 촉매의 함량은 초기보다 20% 감소해, 53% 감소한 단일 전극 시스템 대비 높은 안정성을 보였다.

이번 연구는 국가과학기술연구회 융합연구단사업의 지원을 받아 강원대 임주현 교수 연구팀과의 공동연구로 수행됐다. 연구 결과는 에너지, 화학공학 분야의 국제 저명 학술지인 《케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 13.2)》 3월호에 게재됐다.

《양극성막 기반 해수 수전해 기술》은 에너지연 SCI 융합연구단이 보유하고 있는 원천기술로, 연구단은 이를 기반으로 다양한 응용연구를 진행하고 있다. 해당 기술은 해수 산성화를 유도하여 무기침전물의 성장 속도를 억제할 수 있는 장점이 있지만, 무기침전반응이 반드시 진행되어야만 해수 산성화가 일어나는 불가피한 면이 있었다.

상용화 수준으로 끌어올리려면 전류밀도가 적어도 500mA/㎠ 이상이 되어야 하는데, 이런 높은 전류밀도에서는 무기침전물 성장 속도도 빨라지게 되며, 장시간 운전 시 침전물 두께가 증가하는 문제가 발생한다.

이를 해결하기 위해서는 무기침전물을 제거하는 전략이 필요한데, 이를 위해 《듀얼 환원전극 시스템》을 고안하게 되었다. 듀얼 환원전극에 맞게 챔버형 셀 구조를 변경했고, 강원대 임주현 교수 연구팀으로부터 적절한 환원전극을 공급받았다. 이를 기반으로 해수 교체 주기와 전극 스위칭 주기를 최적화하는 단계를 거쳐 실험 결과를 얻었다.

환원전극 계면에 형성되어 있는 무기침전물은 해수 산성화 환경에서 점차 용해되어 전극 계면으로부터 떨어져나와 챔버 바닥에 쌓이게 된다. 산성화된 해수가 염산이나 황산처럼 강산이 아니기 때문에 무기침전물을 완전히 용해하지 못한다. 따라서 장기운전을 진행할수록 챔버 바닥에 무기침전물이 계속 쌓이게 되어, 전극 표면을 가리게 되는 문제가 발생했다.

연구진은 펌프를 사용해 바닥에 쌓이는 침전물을 제거하고, 이 침전물을 다른 분야에 적용하기로 했다. 산성 해수에서 형성되는 무기침전물은 순도가 매우 높은 Mg(OH)2이며, 열변환 및 저장물질로 적용할 수 있다. 결과적으로, 챔버 바닥에 침전되는 무기침전물을 주기적으로 제거해서 해수 산성화를 안정적으로 유지하고, 듀얼 환원전극의 교대 운전(alternating operation)을 문제없이 진행할 수 있었다.

이번 연구는 기존의 듀얼 전극 개념과 근본적으로 다른 접근을 취한다. 환원전극 두 개를 교대로 운전함으로써 한 전극에서는 ‘수소 발생’ 반응을 지속하는 동시에, 다른 전극에서는 BPM에 의해 산성화된 해수 환경을 이용한 ‘표면 재생’ 과정을 유도했다. 특히, 수소 발생 과정에서 자연스럽게 형성되는 산성화된 해수(pH ~2)를 외부 세정이나 추가 공정 없이 활용함으로써, 환원전극 표면에 축적된 Mg(OH)2 기반 무기침전물을 자발적으로 용해·제거할 수 있음을 실험적으로 입증했다.

이러한 자가 회복(self-healing) 개념은 단순한 침전물 억제 전략을 넘어, 운전 중 전극 표면이 반복적으로 재생되는 「동적 전극 시스템」이라는 새로운 패러다임을 제시한다. 즉, 본 연구에서 제안한 듀얼 환원전극 교대 운전 전략은 해수 수전해에서 오랫동안 해결되지 못한 무기 침전물에 의한 전극 비활성화 문제를 구조적·운전 전략적 차원에서 해결하며, 시스템 중단 없이 장시간 안정적인 수소 생산을 가능하게 한다.

나아가, 이는 해수 수전해 기술을 《침전물 발생을 억제하는 기술》에서 《침전물 발생과 제거를 주기적으로 제어하는 기술》로 확장시키는 중요한 전환점으로서, 향후 다양한 저급수 기반 전기화학 시스템에 적용 가능한 새로운 연구 방향을 제시한다.

연구책임자인 한지형 박사에 따르면, 이번 연구의 다음 목표는 전류밀도를 500mA/cm²수준까지 향상시키는 것이다. 이를 달성하기 위해서는 환원전극의 고활성·고내구 성능 확보가 필수적이다. 아울러, 본 연구에서 제안한 듀얼 환원전극 교대 운전 전략을 멀티 셀 스택 구조에 적용하는 연구도 병행하고 있다. 이러한 연구성과를 바탕으로, 대면적 스택 운전 실증을 진행하고, 산업체와의 협력을 통해 기술이전을 추진하는 것이 최종 목표이다.