백금 없이 수소 생산…에너지연, 재료 원가 99% 낮춘 전극 개발

과전압 백금의 40% 수준

600회 이상 가동·중단에도 성능 유지

한국에너지기술연구원은 수소에너지연구소 강경수·이현준 박사 연구진이 산화니켈과 니켈-코발트 합금을 결합한 수전해용 ‘이종 구조 전극’을 개발했다고 17일 밝혔다. ⓒ한국에너지기술연구원

값비싼 귀금속 대신 니켈과 코발트를 활용한 알칼라인 수전해 전극이 개발됐다. 재료 원가는 귀금속보다 99% 이상 낮아 그린수소 생산비 절감이 기대된다.

한국에너지기술연구원은 수소에너지연구소 강경수·이현준 박사 연구진이 산화니켈과 니켈-코발트 합금을 결합한 수전해용 ‘이종 구조 전극’을 개발했다고 17일 밝혔다.

알칼라인 수전해는 설비비가 적어 대규모 수소 생산에 유리하지만 반응 속도가 느리다. 백금·루테늄 등 귀금속 전극으로 속도를 높일 수 있으나 가격 부담이 크다.

연구진은 물 분해를 촉진하는 산화니켈과 수소 발생 반응에 유리한 니켈-코발트 합금을 하나의 전극 표면에 배치했다. 두 소재가 각각 물 분해와 수소 발생을 촉진해 전체 반응 속도를 높이는 방식이다.

개발 전극은 10mA/㎠ 조건에서 22.7mV의 과전압을 기록했다. 상용 백금 전극의 56.5mV와 비교하면 약 40% 수준이다. 최근 3년간 보고된 비귀금속계 알칼라인 전극 가운데 최상위권 성능이라는 게 연구진 설명이다.

재료비도 크게 낮췄다. g당 가격은 백금 약 58달러, 루테늄 약 54달러인 반면 니켈은 약 0.02달러, 코발트는 0.05달러 수준이다.

산업 적용 가능성도 확인했다. 개발 전극을 적용한 지름 8.7㎝ 단위전지는 비교군인 니켈 전극보다 11% 낮은 전압을 기록했다. 600회 이상 가동과 중단을 반복한 뒤에도 성능 저하가 나타나지 않았다.

현재 전극을 지름 40㎝ 수준으로 키우고 있으며 앞으로 면적을 5000㎠ 이상으로 확대해 ㎿급 알칼라인 수전해 시스템에 적용할 방침이다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 국가수소중점연구실 사업의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 온라인 게재됐다.

강경수 박사는 “이번 연구는 비싼 귀금속 없이도 세계 최고 수준의 알칼라인 수전해 전극을 만들 수 있음을 보여준 성과”라며 “해외 기술에 의존하던 알칼라인 수전해 핵심 소재를 국산화해 친환경 그린수소의 생산 단가를 낮추는 데 기여할 것”이라고 말했다.