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수소는 가장 효율적인 에너지 운반체로, 연소 반응에서 CO2를 배출하지 않는다는 점에서 탈탄소사회의 대안으로 생산, 저장, 운반 등 다양한 연구가 활발히 진행되고 있다. 기존의 수소 생산은 화석연료의 개질 반응으로 CO2와 함께 제조되어왔으나, CCUS 기술의 진보와 지속 가능한 재생에너지 도입 등 탄소중립을 달성하기 위해 수소 생성 프로세스에 큰 변화가 진행 중이다. 기존의 수전해 기술은 CO2를 생성하지 않는다는 장점이 있지만 수소 생산 비용이 높다는 문제가 있었으며, 그 문제를 해결하기 위한 대안으로 지속 가능한 재생에너지를 이용한 수전해 기술을 통해 수소 생산 비용의 절감을 기대할 수 있기 때문에 탄소중립을 달성하기 위해서는 필수적인 기술이다.
알칼리 수전해(Alkaline water electrolysis; AWE) 기술은 식염전해와 유사하다는 것과 다양한 실증을 통하여 운전안정성 및 기술성숙도(Technology readiness level; TRL)가 높아 수소 생산 시스템으로 가장 상용화된 기술이다. 상용화된 알칼리 수전해 반응은 다음과 같다. 전극 재료는 귀금속과 전이금속의 복합산화물로 존재하며, 음이온교환막은 내알칼리성 고분자로 구성되어 있다. 수전해 반응은 일반적으로 온도가 높을수록 전해질의 농도가 진할수록 과전압이 낮아지므로 80~90℃ 부근의 온도에서 실시하고 고농도 KOH 전해질(25~30wt.% 또는 7 mol/L)에 침지시킨 전극에 직류전원을 전극에 인가하며, 음극에서는 수소 원자가 전자를 받아 전극 표면으로부터 환원되어 수소 기체가 발생하여 음이온(OH-)이 생성된다. 생성된 음이온은 음이온교환막을 통과해 양극 표면에서 전자를 잃어 산화되고, 산소 기체가 생성된다.[1]

그러나 전해조에서 전류가 흐를 때 생성된 일부 음이온이 매니폴드를 통해 전극 이외의 도전성 재료 표면에서 반응이 일어나면 원래의 전류 흐름과는 다른 경로의 리크전류가 발생하여 전해조의 부식, 생성가스 순도 저하 및 운전 효율이 떨어지는 문제가 발생한다.[2] 또한 전해조의 정지 및 전위 변동이 일어나면 Bipolar plate 전후로 인접한 음극과 양극 사이에 전위차(electric potential difference)가 발생하게 되어 수전해에 의해 형성된 음이온이 양극에서 음극으로 내부 매니폴드를 통해 이동한 후, 일반적인 전류의 흐름과는 반대방향 전류가 흐르면서 역전류 현상이 발생한다. 이로 인해 음극에서 산화반응이, 양극에서 환원반응이 일어나게 된다. 전해조에 역전류가 흐르면 전극 부식이 일어난다고 보고되고 있으며, 전해조의 on/off의 반복은 전극 표면 촉매층의 열화를 가속화한다.[3~9]

본 보고서에서는 재생에너지 도입으로 인한 수전해조의 리크전류 및 역전류 문제에 대해 파악하고, 기존에 제시된 해결 방법과 현 단계에서 이루어지고 있는 전극 촉매에 대한 최신연구동향을 조사 정리하였다.