▲ 사진: 한국재료연구원 최승목 박사 연구팀


한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진) 에너지?환경재료연구본부 최승목 박사 연구팀은 부산대학교 김양도 교수 연구팀과 공동으로, 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 시스템의 성능이 저하되는 원인을 실제 운전 중 정밀하게 분석할 수 있는 ‘2전극 기반의 실시간 진단 기술’을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구는 그동안 복잡하게 얽혀있던 수전해 시스템 내 전압 손실 원인을 구성 요소별로 분리해 정량화하는 새로운 분석 프레임 워크를 제시했다는 점에 큰 의미가 있다.
수전해는 물을 전기 분해해 릴게임 수소를 생산하는 기술로, 그중 음이온 교환막 수전해는 저비용·고안전 차세대 수소 생산 방식으로 주목받아 왔다. 하지만 장시간 운전 시 전압 상승에 따른 성능의 저하가 발생해, 그 원인을 명확하게 구분하기 어려운 한계가 있었다. 실제 수전해 장비는 2전극 구조로 구성돼 전체 성능의 변화는 확인할 수 있지만, 성능 저하를 일으키는 구체적 원인을 분석하는 건 알라딘게임 어려웠다. 기존에는 3전극(three-electrode configuration) 방식이나 반쪽 전지(half-cell) 실험을 통해 전극 반응을 각각 분석했지만, 이러한 방법은 실제 단위 셀(single-cell) 운전 환경과 차이가 있어, 상용화 단계의 문제를 충분히 반영하는 데 제약이 따랐다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하고자, 실 릴게임갓 제 구동 중인 단위 셀에서 얻은 전기화학 임피던스 분광법(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS) 데이터를 분포형 완화시간 분석(Distribution of Relaxation Times, DRT) 기법과 결합하고, 과전압을 분리하는 독자적인 분석 체계를 구축했다.
이를 통해, 전압 손실의 원인을 손오공릴게임예시 △전극 반응 저항 △수산화 이온(OH?) 전달 저항 △막 및 접촉 저항 △물질 전달 저항 등 항목별로 나눠 정량적으로 분석할 수 있게 했다. 수전해 시스템에서 나타나는 전압 상승 현상이 단순한 전극 열화뿐 아니라, 이온 전달 및 물질 이동 제한 등 복합적으로 작용한 결과라는 사실을 규명한 것이다. 연구팀은 다양한 전해질 농도와 막 조건에서 반복되는 실험을 모바일릴게임 수행해, 분석 결과의 재현성을 확인함으로써 신뢰성을 입증했다. 이는 향후 전극 소재 개발은 물론, 막·전극 구조 설계 및 시스템 운전 전략 최적화에 활용될 수 있는 핵심 진단 지표로 활용이 가능하다.
특히 이번 기술은 3전극 장치 없이도 실제 2전극 기반 수전해 시스템에서 전극별 반응 특성을 구분할 수 있다는 점에서, 기존 진단 방식과 차별화된다. 실제 음이온 교환막 시스템의 장시간 운전 중 발생하는 성능 저하 요인을 실시간으로 추적·분석할 수 있어, 상용화에 친화적인 진단 플랫폼으로서 고효율·고내구 수전해 시스템 설계에 기여할 것으로 기대된다.
연구책임자인 KIMS 최승목 책임연구원은 “이번 연구는 복잡한 수전해 시스템 내부에서 발생하는 전압 손실 원인을 실제 운전 환경에서 실시간으로 분해·해석할 수 있는 분석 기준을 제시한 것.”이라며, “그린수소 생산 기술 상용화를 앞당기는 핵심 진단 기술로 발전시킬 것”이라고 말했다.
본 연구는 한국연구재단 국가수소중점연구실 ‘H2 NEXT ROUND’, KIMS 기본사업, 한국연구재단 나노 및 소재기술개발사업의 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 세계적 학술지인 에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters, IF: 18.9)에 2026년 3월 27일자로 온라인 게재됐다.
김나혜 인턴기자 kim.nahye1@joongang.co.kr