태양광을 이용한 그린수소 생산 장치 내구성 평가기술 개발

기후변화 대응과 탄소중립 실현을 위한 핵심 기술 중 하나가 그린수소(Green Hydrogen) 생산인데요. 그린수소는 재생에너지(태양광, 풍력 등)를 활용해 물을 전기 분해하여 생산하는 친환경 수소입니다.

하지만, 태양광을 이용한 수전해 시스템은 장기적인 운영 시 내구성이 저하될 가능성이 높고, 이에 대한 평가 기술이 부족한 상황인데요. 이번 포스팅에서는 태양광 기반 그린수소 생산 장치의 내구성 평가기술 개발에 대해 자세히 알아보겠습니다.

---

1. 그린수소 생산 장치의 개요

 

태양광 기반 그린수소 생산 장치는 기본적으로 태양광 패널 + 전해조(수전해 장치) + 저장 시스템으로 구성됩니다.

• 태양광 패널: 전기를 생산
• 수전해 장치: 물(H₂O)을 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분해
• 저장 시스템: 생산된 수소를 압축 저장

아래 도식은 태양광 기반 그린수소 생산 시스템의 개요를 나타냅니다.

📊 [그림 1] 태양광 기반 그린수소 생산 시스템 구성도

(태양광 패널 → 인버터 → 수전해 장치 → 저장 시스템 흐름도)

이러한 시스템은 친환경적이지만, 실제 운용 시 내구성 저하 문제가 발생할 수 있습니다.

---

2. 태양광 기반 수전해 장치의 내구성 저하 원인

 

태양광을 이용한 수전해 시스템의 내구성 저하는 크게 세 가지 요인으로 나눌 수 있습니다.

① 태양광 발전 출력 변동

• 태양광 발전은 날씨, 계절, 구름 등 환경 조건에 따라 출력이 변동하는데요.
• 전해조는 일정한 전력이 공급될 때 최적의 성능을 내지만, 태양광 발전량이 급격히 변하면 전극과 분리막 성능 저하가 발생합니다.

② 전극 및 촉매의 내구성 문제

• 수전해 시스템에서 수소 발생 반응(HER)과 산소 발생 반응(OER)을 촉진하는 전극과 촉매는 장시간 운전 시 부식될 수 있습니다.
• 특히 알칼라인 수전해(AWE)와 고분자전해질 수전해(PEMWE) 방식에서 전극 부식이 내구성 저하의 주요 원인이 됩니다.

📊 [표 1] 주요 수전해 방식별 내구성 이슈

수전해 방식	주요 내구성 문제	해결 방안
알칼라인(AWE)	전극 부식, 전해액 오염	고내구성 전극 코팅
고분자전해질(PEMWE)	촉매 용출, 분리막 손상	촉매 안정성 향상, 내구성 높은 분리막 개발

 

③ 저장 및 이송 과정에서의 변형

• 생산된 수소는 고압 상태에서 저장되는데, 반복적인 충·방전 과정에서 탱크와 밸브의 소재 피로가 누적될 수 있습니다.
• 특히, 고압 수소 저장 시스템(700 bar 이상)에서는 금속 재료의 수소 취성 (hydrogen embrittlement) 문제가 발생할 수 있습니다.

---

3. 그린수소 생산 장치의 내구성 평가기술

 

이제 본격적으로 태양광 기반 수전해 시스템의 내구성을 평가하는 기술에 대해 살펴볼 텐데요. 내구성 평가기술은 크게 전극·촉매 내구성 평가, 시스템 장기 운전 평가, 저장 및 이송 내구성 평가로 나눌 수 있습니다.

 

① 전극·촉매 내구성 평가

• 전극과 촉매의 수명을 평가하기 위해 **가속 내구성 테스트(Accelerated Stress Test, AST)**를 진행합니다.
• 일정한 전압을 반복적으로 가하거나, 온도를 변화시키면서 촉매 용출과 전극 부식을 분석합니다.

📊 [그림 2] 촉매 내구성 평가 방법(AST 수행 예시)

 

② 시스템 장기 운전 평가

• 태양광 발전 변동을 반영하여 실제 운전 환경에서 장기적인 성능 변화를 분석합니다.
• 주로 MTTF(평균 고장 간격), 전압 강하율, 수소 생산 효율 변화 등을 측정합니다.

📊 [표 2] 태양광 기반 수전해 장치 내구성 평가 항목

평가 항목	측정 방법	기준 값
평균 고장 간격(MTTF)	연속 운전 후 고장 발생 빈도	10,000시간 이상
전압 강하율	1,000시간당 전압 감소량	5% 이하
수소 생산 효율 변화	초기 대비 효율 저하율	10% 이하

 

③ 저장 및 이송 내구성 평가

• 고압 수소 저장 용기의 소재 피로도와 수소 취성을 평가합니다.
• 반복적인 압력 사이클링 테스트를 통해 균열 발생 여부를 분석합니다.

📊 [그림 3] 고압 수소 저장 용기의 내구성 평가 개념도

 

---

4. 향후 연구 및 개선 방향

 

태양광 기반 그린수소 생산 장치의 내구성 평가기술은 지속적으로 발전하고 있으며, 앞으로 다음과 같은 연구가 필요합니다.

1️⃣ 전극 및 촉매 내구성 향상

• 비귀금속 촉매 개발 및 내구성 강화 기술 적용

2️⃣ 태양광-수전해 연계 시스템 최적화

• 인공지능(AI) 기반 최적 운전 알고리즘 적용
• 전력 변동을 최소화하는 에너지 저장 시스템(ESS) 활용

3️⃣ 고압 수소 저장 시스템의 신소재 개발

• 탄소섬유 복합소재 적용을 통한 내구성 향상

---

5. 글을 마치며..

 

태양광 기반 그린수소 생산 시스템은 탄소중립을 위한 핵심 기술이지만, 내구성 문제를 해결해야 안정적인 장기 운영이 가능합니다.

현재 연구되고 있는 내구성 평가기술을 통해 전극 및 촉매의 성능 분석, 시스템 장기 운전 테스트, 저장 시스템 안정성 평가 등을 수행하여 신뢰성을 높이고 있는데요. 앞으로 더욱 정교한 평가 기술과 내구성 강화 기술이 개발된다면, 태양광 기반 그린수소 생산이 더욱 경제적이고 효율적인 에너지원이 될 것으로 기대됩니다.

 

태양광 기반 그린수소 생산 기술에 대한 연구는 앞으로도 계속될 것이며, 이를 통해 보다 지속 가능하고 친환경적인 에너지 전환이 가능해질 것입니다.