수전해 성능 저하 원인, 실시간으로 잡는다!

재료硏, 2전극 기반 음이온 교환막 수전해 시스템 실시간 정밀 진단 기술 개발

# 2전극 기반 실시간 진단 기술로 음이온 교환막 수전해 성능 저하 원인 정밀 규명

# 각 구성 저항을 운전 중 분리 분석... 그린수소 상용화 앞당길 핵심 진단 플랫폼 제시

□ 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 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 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, 실제 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 △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 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.

출처 : 한국재료연구원 언론보도/연구성과(26.04.09.)