[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

음이온 교환막 수전해는 기존 고분자전해질 수전해에 비해 고가의 귀금속 촉매 사용량을 줄일 수 있는 장점이 있어, 경제성과 친환경성을 동시에 갖춘 차세대 수소 생산 기술로 각광받고 있다. 그러나 이러한 기술의 실질적인 상용화를 저해하는 주요 기술적 한계 중 하나는, 셀 구동 초기 단계에서 급격히 발생하는 성능 저하 현상, 즉 ‘초기 열화(initial degradation)’이다.

초기 열화는 수전해 시스템의 장기 안정성에 결정적인 영향을 미치는 현상으로, 최근 보고된 연구에 따르면 음이온 교환막 수전해기를 1,000시간 동안 구동할 경우 전체 열화의 약 60%가 초기 15시간 이내에 집중적으로 발생하는 것으로 나타났다. 이처럼 짧은 시간 안에 전압이 빠르게 상승하고 성능이 급감하는 초기 열화는, 장치 수명뿐만 아니라 상용화 가능성에도 직접적인 제약을 가한다.

그럼에도 불구하고, 기존의 2-전극 기반 분석 체계는 전체 셀 전압만을 측정할 수 있는 구조이기 때문에, 성능 저하가 음극 또는 양극 중 어느 쪽에서 발생했는지를 분리해 분석하는 데에 한계가 있다. 특히 초기 열화와 같이 복합적인 원인이 얽히고 짧은 시간 안에 진행되는 경우에는, 전극별 전위 변화, 반응 저항, 활성 저하 등의 항목을 정량적으로 분리해 진단하기 어렵기 때문에, 초기 열화의 구체적인 원인 규명과 이를 억제하기 위한 전략 수립에 한계가 존재해왔다.

2.연구내용

기존 2-전극 분석법은 전극별 기여도를 정량적으로 분리하는 데 한계가 있어, 초기 열화의 정확한 원인 규명에 어려움이 있었다. 이러한 분석상의 한계를 극복하기 위해, 본 연구에서는 기준전극을 도입한 3-전극 분석 시스템을 개발 및 활용하여 음이온 교환막 수전해기의 초기 열화 현상을 전극 단위로 분리·정량적으로 분석하였다.

3-전극 분석 결과, 초기 구동 과정에서의 성능 저하는 주로 음극(수소 발생 전극)에서 발생하였으며, 그 주요 원인은 백금(Pt) 촉매 입자의 응집(agglomeration)으로 확인되었다. 실제로, 양극 전위는 비교적 안정적으로 유지된 반면, 음극 전위에서는 과전압이 뚜렷하게 증가하는 양상이 관찰되었고, 이를 통해 초기 열화의 주된 기여 전극이 음극임을 정량적으로 입증할 수 있었다.

양극과 음극 모두에 물을 공급하는 양쪽 전해질 주입 조건(dual feeding) 하에서는, 구동 초기 20시간 동안 전체 셀 기준 열화율은 6.705 ± 1.33 mV h-1로 측정되었으며, 이 중 음극이 6.675 ± 0.9 mV h-1를 차지해 대부분의 열화가 음극에서 발생함을 확인하였다. 반면, 전해질을 양극에만 공급하는 건식 음극 구동 조건(dry cathode operation)에서는 음극 열화율이 4.48 ± 0.9 mV h-1로 크게 감소하였다.

더불어, 전자현미경 관찰, 전압 손실 분리 분석, 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 등의 다양한 보조 분석을 통해 Pt 응집과 성능 저하 간의 상관관계를 다각도로 규명하였다. 특히, 건식 음극 구동 조건에서 촉매층 표면에 액체 전해질이 직접 접촉하지 않음으로써 Pt가 용해 및 재증착되는 사이클이 억제되고, 생성된 수소 기체의 탈착이 원활해져 응집을 유도하는 구동력이 감소하는 것으로 해석되었다.

실제로, 투과전자현미경(TEM) 분석 결과, 건식 조건에서는 보다 작은 평균 입자 크기의 Pt 분포가 유지되고 있었으며, 이는 촉매 구조의 안정성이 유지된다는 것을 시각적으로 입증하는 근거가 되었다.

3.기대효과

본 연구는 AEMWE의 초기 열화를 단순히 관찰하는 수준을 넘어, 전극별 전기화학 반응과 구조적 변화를 정량적으로 분석함으로써 명확한 열화 메커니즘(Pt 응집)을 규명하고, 이를 억제할 수 있는 효율적인 구동 조건(건식 음극 구동 조건)을 제시했다는 데 의의가 있다.

특히, 별도의 새로운 소재나 고비용 공정 없이도 구동 조건의 제어만으로 초기 안정성을 향상시킬 수 있다는 점에서 실용적 가치가 크며, 3-전극 분석법은 향후 전극 소재 개발, 셀 내구성 평가, 전극 설계 최적화 등의 분야에서도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 초기 열화 문제의 실험적 해결 방안을 제시함과 동시에, AEMWE 기반 수전해 시스템의 상용화를 앞당길 수 있는 정량적 진단 도구와 운전 전략을 동시에 제공한다는 점에서 기술적·산업적 파급력이 크다.

[붙임] 용어설명

1.음이온 교환막 수전해 시스템 (Anion Exchange Membrane Water Electrolyzer)

음이온만을 선택적으로 이동시킬 수 있는 음이온 교환막을 전해질로 사용하여 음극과 양극을 이용해 수소를 생산하는 시스템. 기존 상용화된 알칼리 수전해(Alkaline Water Electrolysis) 보다 부식에 강하고 경량화에 유리한 장점을 가진다.

2.건식 음극 구동 조건(Dry Cathode Operation Condition)

액체 전해질을 양극에만 주입하여 수전해기를 구동하는 형태

3.기준전극 (Reference Electrode)

표준환원전위가 일정하게 유지되는 전극으로 전기화학실험에서 특정 전극(작동 전극, working electrode)에 대한 전위를 분석할 때 기준점으로 사용

4.과전압 (Overpotential)

전극에서 특정 전기화학 반응(예: 수소 발생, 산소 발생)을 일으키기 위해 필요한 실제 전위가 역학적으로 예측되는 이상 전위보다 더 크거나 작은 만큼의 추가적인 전위. 과전압이 높을수록 투입한 에너지에 비해 생산되는 수소의 양은 줄어들고, 장기적으로는 전체 시스템의 내구성에도 부담을 줘 열화를 가속할 수 있다.