수소를 생산하는 음이온 교환막 수전해 장치의 초기 성능 저하 원인이 백금 촉매 입자의 뭉침 현상 때문이라는 연구 결과가 나왔다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 권영국 교수팀은 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 장치의 초기 열화 현상이 음극에서 주로 발생한다는 사실을 밝혔다고 전했다. 연구 결과는 ACS Energy Lett.에 게재됐다.

수전해는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 기술이다. 음이온 교환막 수전해 장치는 내식성이 우수하고 경량화가 가능한 장점을 갖고 있다. 그러나 운전 초기 몇 시간 안에 전압이 급상승해 생산 효율이 크게 떨어지는 초기 열화 문제가 계속 제기돼 왔다.

연구팀은 자체 개발한 3전극 분석법을 활용해 초기 열화의 90% 이상이 수소 기체가 발생하는 음극에서 시작된다는 점을 확인했다. 기존 2전극 방식은 전체 셀 전압만 측정해 성능 저하가 어느 전극에서 발생하는지 정확히 구분하기 어려웠고, 일반적으로 양극 문제로 인식돼 왔다.

백금 촉매 입자 뭉침은 음극의 수분이 주요 원인으로 분석됐다. 백금(Pt) 입자가 뭉치면 반응성이 떨어져 성능 저하로 이어진다.

연구팀이 액체 전해질을 음극에 직접 공급하지 않는 건식 구동 조건(dry cathode operation)을 적용한 결과, 초기 40시간 동안 누적 전압 상승량이 약 163mV에서 96mV로 감소했다. 이는 기존 대비 절반 수준으로, 수소 생산 효율이 더 오래 유지됨을 의미한다.

이번 연구로 수전해 장치의 장기 신뢰성을 확보해 그린 수소 생산 기술의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.