한국재료연구원과 부산대학교 공동 연구팀이 음이온 교환막 수전해 시스템의 성능 저하 원인을 실제 운전 중 실시간으로 분석할 수 있는 기술을 개발했다. 수전해 장비의 전압 손실을 구성 요소별로 나눠 정량적으로 해석할 수 있는 방법이 제시되면서, 장시간 운전 과정에서 나타나는 성능 저하 원인을 보다 구체적으로 파악할 수 있게 됐다.

한국재료연구원은 에너지·환경재료연구본부 최승목 박사 연구팀이 부산대학교 김양도 교수 연구팀과 공동으로 관련 기술을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 3월 27일 국제학술지 ACS Energy Letters에 온라인 게재됐다.

수전해는 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 기술이다. 이 가운데 음이온 교환막 수전해는 차세대 수소 생산 방식으로 주목받아 왔지만, 장시간 운전 과정에서 전압이 상승하며 성능이 저하되는 문제가 있었다. 실제 장비는 2전극 구조로 이뤄져 있어 전체 성능 변화는 확인할 수 있지만, 세부 원인을 구분해 분석하는 데는 한계가 있었다.

기존에는 3전극 방식이나 반쪽 전지 실험을 통해 전극 반응을 각각 분석했지만, 실제 단위 셀 운전 환경과 차이가 있어 상용화 단계의 문제를 충분히 반영하기 어렵다는 지적이 있었다. 연구팀은 이를 보완하기 위해 실제 구동 중인 단위 셀에서 얻은 전기화학 임피던스 분광법 데이터에 분포형 완화시간 분석 기법을 결합하고, 과전압을 분리하는 분석 체계를 구축했다.

이 기술을 적용하면 전압 손실 원인을 전극 반응 저항, 수산화 이온 전달 저항, 막 및 접촉 저항, 물질 전달 저항 등으로 나눠 분석할 수 있다. 연구팀은 성능 저하가 단순한 전극 열화뿐 아니라 이온 전달과 물질 이동 제한이 복합적으로 작용한 결과라는 점도 확인했다고 설명했다. 또 전해질 농도와 막 조건을 달리한 반복 실험을 통해 분석 결과의 재현성도 검증했다.

이번 기술은 별도의 3전극 장치 없이 실제 2전극 기반 수전해 시스템에서 전극별 반응 특성을 구분할 수 있다는 점에서 주목된다. 연구팀은 이 기술이 전극 소재 개발과 막·전극 구조 설계, 시스템 운전 전략 수립에 활용될 수 있을 것으로 보고 있다.