▲ 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 및 분포형 완화시간 분석(DRT)을 이용한 음이온 교환막 수전해 과전압 분리 분석 모식도

국내 연구진이 수전해 시스템의 성능 저하 원인을 운전 중 실시간으로 규명할 수 있는 기술을 통해 그린수소 생산 효율과 상용화 경쟁력을 높일 기반을 마련했다.

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)은 에너지·환경재료연구본부 최승목 박사 연구팀이 부산대학교 연구팀과 공동으로 음이온 교환막 수전해(AEMWE) 시스템의 성능 저하 원인을 실제 운전 환경에서 정밀 분석할 수 있는 ‘2전극 기반 실시간 진단 기술’을 개발했다고 9일 밝혔다.

수전해는 물을 전기분해해 수소를 생산하는 기술로, 음이온 교환막 방식은 저비용·고안전 차세대 수소 생산 기술로 주목받고 있다. 그러나 장시간 운전 시 전압 상승에 따른 성능 저하가 발생하며, 그 원인을 명확히 구분하기 어려운 한계가 있었다.

기존에는 3전극 방식이나 반쪽 전지 실험을 통해 전극 반응을 개별 분석했지만, 실제 단위 셀 운전 조건과 차이가 있어 상용 시스템의 열화 메커니즘을 정밀하게 반영하는 데 제약이 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 실제 구동 중인 단위 셀에서 얻은 전기화학 임피던스 분광법(EIS) 데이터를 분포형 완화시간 분석(DRT) 기법과 결합하고, 과전압을 분리하는 독자적인 분석 체계를 구축했다.

이를 통해 전압 손실 원인을 △전극 반응 저항 △수산화 이온 전달 저항 △막 및 접촉 저항 △물질 전달 저항 등으로 구분해 정량적으로 분석할 수 있게 했다. 특히 전압 상승이 단일 요인이 아닌 이온 전달과 물질 이동 제한 등 복합적 영향에 의해 발생한다는 점을 규명했다.

또한 다양한 전해질 농도와 막 조건에서 반복 실험을 수행해 분석 결과의 재현성과 신뢰성을 확보했다. 해당 기술은 전극 소재 개발, 막·전극 구조 설계, 시스템 운전 전략 최적화 등 다양한 분야에서 활용 가능한 핵심 진단 지표로 평가된다.

이번 기술은 3전극 장치 없이도 실제 2전극 기반 시스템에서 전극별 반응 특성을 구분할 수 있다는 점에서 기존 방식과 차별화된다. 이에 따라 장시간 운전 중 발생하는 성능 저하 요인을 실시간으로 추적할 수 있어 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.

한편, 이번 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.