물을 전기분해해 수소와 산소를 생산하는 수전해 기술은 재생에너지 기반 청정수소 생산을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다.
태양광, 풍력 등을 활용한 수소생산시스템은 균일하지 않은 자연에너지원의 특성상 전력 공급이 일정치 않아 장치의 부하가 지속적으로 변할 수밖에 없다.
그러나 현재 여기에 사용하는 촉매는 일정 전류·전압 조건을 기준으로 제작돼 실제 운전환경을 충분히 반영하지 못하는 한계가 있다.
세계 최초 수전해장치 촉매 운영 안정성 지수 제시
KAIST 생명화학공학과 정동영 교수팀이 전력부하 변동이 불가피한 청정수소 생산환경에서 전기에너지 효율을 높이고 낮은 전압에도 수소 생산효율을 높이는 촉매의 열화를 정량적으로 진단하는 방법론을 세계 최초로 제시했다.
연구팀은 수전해 시스템이 꺼지거나 낮은 부하로 운전될 때 발생할 수 있는 촉매 및 지지체의 열화현상 촉매의 손상이나 성능저하 현상을 규명하고, 이를 정량화할 수 있는 새로운 평가 지표인 ‘운영 안정성 지수(Operational Stability Factor, OSF)’를 제안했다.
운영 안정성 지수는 수전해 장비가 반복적으로 작동 또는 정지하는 과정에서 발생하는 촉매 열화정도를 수치로 반영, 실제 운전조건에서 내구수명을 보다 정확하게 예측할 수 있도록 설계됐다.
실제 운영 안정성 지수가 100%면 부하 변동 중 촉매가 전혀 손상되지 않는다는 뜻이고, 99%이면 매번 시스템이 꺼질 때마다 1%씩 촉매가 손상됨을 의미한다.
이 지표는 내구성을 고려한 운전조건 최적화를 가능케 하고, 오랜 수명의 수전해 시스템 운영전략 수립에 중요 기준으로 활용할 수 있다.
아울러 이를 통해 수전해 시스템에 적합한 고내구성 촉매를 선별하고, 실제 운전조건에 최적화된 촉매 설계 및 운영 전략 수립에 활용될 수 있을 전망이다.
정 교수는 “OSF는 부하 변동구간에서 수전해 촉매가 얼마나 손실되는지 수치로 계산해 수명을 수치로 예측할 수 있다”며 “이 기술이 촉매 내구성 진단을 위한 국제표준에 적용되길 기대한다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 KAIST 생명화학공학과 김진엽 박사과정이 제1저자로, 노종수 박사과정이 공저자로 수행했고, 연구결과는 국제학술지 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF=19.3)’ 지난 2일자에 게재됐다.
