KAIST, 그린수소 생산 촉매 수명 예측 세계 첫 성공

- 향후 내구성 진단을 위한 국제 표준으로 발전할 가능성 기대

(왼쪽부터) 생명화학공학과 김진엽 박사과정, 생명화학공학과 정동영 교수, 생명화학공학과 노종수 박사과정. (자료제공: KAIST)

재생에너지 변동에 따른 수전해 시스템의 구동 및 정지 과정 중에 발생할 수 있는 열화 메커니즘 및 이를 정량화하는 운영 안정성 지수의 모식도(왼쪽) 및 운영 안정성 지수 분석을 위한 실시간 유도결합플라즈마 질량분석을 통한 촉매의 용출량 실시간 분석 결과(오른쪽). (자료제공: KAIST)

태양광, 풍력 등 재생에너지를 활용한 수소 생산 시스템에서는 에너지원의 특성상 전력 공급이 일정하지 않아, 수전해 장치의 부하가 지속적으로 변화한다. KAIST 연구진이 이런 전력 부하의 변동이 불가피한 그린 수소 생산 환경에서, 전기 에너지 효율을 높이고 낮은 전압에서도 수소 생산 효율을 높이는 촉매의 열화(성능 저하)를 정량적으로 진단할 수 있는 세계 최초의 방법론을 제시했다.

한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형)은 생명화학공학과 정동영 교수 연구팀이 수전해 시스템에서 촉매의 실질적인 수명을 예측할 수 있는 새로운 평가 지표인 ‘운영 안정성 지수’를 개발했다고 5월 21일 밝혔다.

연구팀은 수전해 시스템이 꺼지거나 낮은 부하로 운전될 때 발생할 수 있는 촉매 및 지지체의 열화 현상 촉매의 손상이나 성능 저하 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 및 정지(on/off)하는 과정에서 발생하는 촉매 열화 정도를 수치로 반영함으로써, 실제 운전 조건에서의 내구수명을 보다 정확하게 예측할 수 있도록 설계되었다. 

예를 들어, 운영 안정성 지수가 100%이면 부하 변동 중에도 촉매가 전혀 손상되지 않는다는 뜻이고, 99%이면 매번 시스템이 꺼질 때마다 1%씩 촉매가 손상된다는 의미다.

향후 이 지표를 통해 내구성을 고려한 운전 조건의 최적화를 가능해지며, 장수명 수전해 시스템 운영 전략 수립에 중요한 기준으로 활용될 수 있다.

정동영 교수는 “운영 안정성 지수(OSF)는 수전해 촉매의 장기 수명을 수치로 예측할 수 있는 강력한 평가 기준으로, 향후 내구성 진단을 위한 국제 표준으로 발전할 가능성이 크다”고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단 소재 글로벌 영커넥트 사업, KAIST 도약과제의 지원을 받아 수행됐다. 생명화학공학과 박사과정 김진엽 연구원이 제1 저자인 이번 논문은 에너지 분야 최고 권위지 중 하나인 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’지에 5월 2일 자로 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]