한국에너지기술연구원(이하 에너지연)이 해수를 이용해 수소를 생산할 때 전극에 쌓이는 침전물 문제를 구조 설계만으로 해결했다.
에너지연 SCI융합연구단 한지형 책임연구원팀은 두 개의 전극을 교대로 사용해 별도 세척 공정 없이도 전극이 스스로 회복하는 해수 수전해 시스템을 개발했다.
수전해는 물을 전기분해해 수소를 생산하는 기술로, 탄소 배출 없이 수소를 생산할 수 있다.
특히 담수 부족 문제가 커지면서 바닷물을 활용하는 해수 수전해 연구가 활발히 진행 중이다.
하지만 바닷물에는 마그네슘과 칼슘 이온이 많이 포함돼 수소 생산 과정에서 전극 표면에 무기 침전물이 쌓인다.
이 침전물이 전극을 덮으면 반응 효율이 떨어지고 에너지 소비가 늘어나는 문제가 있다.
지금까지는 산 세정이나 기계적 세척 등 별도의 공정을 통해 침전물을 제거했지만, 이 과정에서 장치를 멈춰야 해 연속적인 수소 생산이 어렵다는 한계가 있었다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 두 개의 환원전극을 사용하는 구조를 고안했다.
이는 한 전극이 수소를 생산하는 동안 다른 전극은 잠시 반응을 멈추고 산성화된 해수 환경에서 전극 표면의 침전물이 자연스럽게 녹도록 하는 역할을 교대하는 방식이다.
연구팀은 48시간 간격으로 전극 기능을 바꾸면 침전물이 형성됐다가 다시 용해되는 과정이 반복되면서 전극 성능을 안정적으로 유지할 수 있음을 확인했다.
기존 단일 전극 해수 수전해 시스템은 약 200시간 운전 후 침전물 축적으로 에너지 소비가 약 27% 증가한 반면 연구팀이 개발한 시스템은 400시간 이상 운전 후에도 에너지 소비 증가가 1.8% 수준에 머물러 15배 높은 성능 개선 효과를 보였다.
촉매 안정성도 장시간 운전 후 촉매 손실률은 20%에 그쳐 기존 단일 전극 시스템의 손실률 53%를 크게 개선했다.
또 연구팀은 양극성막 기반 시스템을 활용해 해수 환경을 pH2 수준의 산성 상태로 유지함으로써 침전물 용해를 촉진하는 방식도 함께 적용했다.
이를 통해 외부 세정 공정 없이도 전극 표면이 자연스럽게 회복되는 자가세정구조를 구현했다.
한 책임연구원은 “해수 수전해 기술의 가장 큰 장애 요소였던 침전물 문제를 시스템 설계만으로 제어할 수 있음을 확인했다”며 “이 기술은 해수 기반 그린수소 생산의 장기 운전 안정성을 높일 수 있을 것”이라고 설명했다.
한편, 이번 연구결과는 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 13.2)’ 3월호에 게재됐다.
(논문명: Self-cleaning dual cathode for enhanced durability of bipolar membrane-based direct seawater electrolysis)
