에너지연, 해수 수전해 '침전물 문제' 해법 제시

해수 수전해 과정에서 생기는 고질적 '침전물 문제'를 해결할 해법이 제시됐다.

한국에너지기술연구원(에너지연)은 SCI 융합연구단 한지형 박사 연구팀이 그간 성능 저하, 공정 중단의 빌미가 됐던 침전물 형성 문제를 해결, 해수 수전해 기술을 고도화할 방향성을 마련했다고 13일 밝혔다.

(왼쪽 위부터 시계 방향) 임지혁 인턴학생, 황교식 박사, 정남조 박사, 고희상 박사, 정윤철 박사, 한지형 박사, 좌은진 박사, 이주영 선임행정원, 김민주 인턴. 한국에너지기술연구원

수전해는 물을 분해해 친환경 에너지원인 수소를 생산하는 기술이다. 최근에는 담수 부족 문제를 해소하기 위해 바닷물을 활용하는 해수 수전해 기술 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

하지만 해수 수전해 기술은 바닷물에 포함된 마그네슘, 칼슘 이온으로 발생하는 침전물이 전극 표면에 쌓여 성능이 낮아져 '비효율적'이라는 시각이 있었다. 침전물을 없애기 위해 산 세정, 기계적 세척 작업을 할 수도 있지만, 세정·세척으로 수소를 연속해 생산할 수 없는 것은 단점으로 지적됐다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 세계 최초로 두 개의 전극을 적용한 새로운 시스템 구조를 구현했다. 한쪽 전극에서 수소를 생산하고 다른 쪽 전극에서는 수소 생산을 이시 멈춰 산성화된 해수로 침전물을 녹이는 원리다. 이 원리를 이용하면 양 전극은 서로 역할을 바꿔 수소 생산과 침전물을 제거하는 과정을 동시에 진행할 수 있다.

실제 연구팀은 실험을 통해 48시간 주기로 각 전극의 역할을 바꿔 침전물 생성과 완전한 제거가 반복될 수 있음을 확인했다.

특히 기존 단일 전극 기반의 해수 수전해 시스템은 200시간 동안 운전한 후 쌓인 침전물 때문에 에너지 소비량이 27%가량 증가한 반면 연구팀이 개발한 시스템은 400시간 이상 장기 운전한 후에도 에너지 소비량 증가가 1.8% 수준에 머물러 단일 전극보다 15배 향상된 성능을 나타냈다.

또 400시간 운전 후 수소 생산 촉매의 함량은 초기보다 20% 감소해 단일 전극 시스템의 함량 감소(53%) 수치보다 절반 이상 낮아 높은 안정성을 보였다는 게 연구팀의 설명이다.

한지형 박사는 "이번 연구는 그간 해수 수전해 기술에 걸림돌이 됐던 침전물 문제를 시스템 구조 설계만으로 제어할 수 있음을 입증한 사례"라며 "특히 산성화된 해수로 전극이 스스로 회복되는 '자가 회복' 개념을 세계 최초로 제안해 향후 해수 수전해 기술 개발의 새로운 방향성을 제시했다는 점에서 의미를 갖는다"고 말했다.

한편 이번 연구는 국가과학기술연구회 융합연구단사업의 지원을 받아 임주현 강원대 교수 연구팀과 공동연구로 수행됐다. 연구 결과(논문)는 에너지·화학공학 분야 국제 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)' 3월호에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr