그린수소 생산능력을 확대하는 과정에서 실제 병목 현상은 에너지 공급이 아닌 핵심 소재에 있는 경우가 많다. 특히 해수 전기분해를 위한 수소 생산 장비의 경우 작업 환경이 고전압이고 부식성이 높기 때문에 대부분의 금속이 장기간 안정적으로 작동하기 어렵습니다. 값비싼 티타늄 합금과 귀금속 코팅에 의존해야 하므로 시스템 비용이 상승하고 대규모 배포가 제한됩니다.홍콩대학교 연구팀은 이런 상황을 타파하려고 노력하고 있다. 황밍신(Huang Mingxin) 교수가 이끄는 팀은 가혹한 전해 환경에서 오랫동안 안정적으로 작동할 수 있는 새로운 스테인리스강 합금 SS-H2를 개발했으며, 기존의 값비싼 부품을 대체할 것으로 기대된다고 주장합니다.
Materials Today 저널에 게재된 이 연구는 이전에 항균 특성을 지닌 초고강도 합금 및 스테인리스강 소재를 출시한 황밍신(Huang Mingxin) 팀의 장기 연구 프로젝트 "Super Steel"의 최신 개발 중 하나입니다. SS-H2의 설계 목표는 기존 스테인리스 스틸이 실패하는 전위 범위에서 안정성을 유지하는 것이며, 특히 해수를 직접 사용하는 전기분해 장치에 적합합니다. 연구원들은 현재의 핵심 문제는 스테인리스 강의 내식성이 주로 크롬에 의해 형성된 치밀한 산화막에 의존한다는 점이라고 지적했습니다. 이 메커니즘은 일반 산업 및 해양 환경에서 잘 작동하지만 전위가 높은 전기분해 조건에서는 완전히 깨집니다.
실험에 따르면 전위가 약 1000mV(포화 칼로멜 전극 기준)로 상승하면 기존 스테인리스강 표면의 크롬 산화막이 분해되기 시작하여 용해성 종을 생성하고 심각한 부식을 일으키는 반면, 효율적인 물 산화 반응에는 일반적으로 약 1600mV의 전위가 필요합니다. 가혹한 해수 환경을 위해 설계된 고급 합금 254SMO조차도 이러한 높은 잠재력에서는 안정성을 유지할 수 없습니다. 따라서 현재의 많은 전기분해 시스템은 백금, 금과 같은 귀금속 코팅으로 보완된 티타늄 기반 구조 부품만을 사용할 수 있습니다. 신뢰성이 높기는 하지만, 특히 산업 규모로 확장한 후에는 장비 비용이 크게 증가합니다.
SS-H2의 아이디어는 금속이 스스로를 보호하는 방식을 바꾸는 것입니다. 기존의 스테인레스 스틸에서는 주로 단일 크롬 산화막으로 보호 기능이 제공됩니다. SS-H2에서 재료는 작동 중에 두 개의 보호층을 순차적으로 형성합니다. 먼저 기존의 크롬 기반 산화막과 더 높은 전위(약 720mV)에서 그 위에 망간 기반 보호층이 형성됩니다. 물질이 최대 약 1,700mV까지 안정적으로 유지되어 물 분해에 필요한 전압 범위를 포괄하는 것이 바로 이 두 번째 보호 층입니다.
망간의 도입 자체가 전혀 예상치 못한 일이라는 점은 주목할 가치가 있습니다. 전통적인 사고에서는 망간이 스테인리스 강의 내식성을 향상시키기보다는 약화시키는 것으로 종종 생각됩니다. 논문의 첫 번째 저자인 Yu Kaiping 박사는 팀이 처음에는 Mn이 기존의 부식 과학 지식과 상반되기 때문에 안정적인 부동태층을 형성하는 데 도움이 될 수 있다는 것을 믿기 어렵다는 것을 발견했다고 회상했습니다. 그러나 다수의 원자 규모 실험 결과가 제시된 후 마침내 이러한 "직관에 반하는" Mn 기반 부동태화 현상을 확인했습니다.
그러한 재료가 실험실 외부에서 예상대로 작동한다면 경제적 영향은 상당할 수 있습니다. 연구팀은 비용 구조를 추정하기 위해 10MW PEM 전기분해 시스템을 예로 사용했습니다. 구조 재료는 총 비용의 큰 부분을 차지하며 약 1,780만 홍콩달러(약 1,780만 홍콩 달러) 중 53%가 이러한 구성 요소와 직접 관련됩니다. 이를 토대로 기존 티타늄 기반 소재를 SS-H2로 대체할 경우 구조재 원가가 약 40배 절감돼 전체 시스템 비용이 크게 절감될 것으로 연구팀은 내다봤다.
이 작업은 또한 내식성 재료에 대한 설계 사고의 변화를 반영합니다. Huang Mingxin은 전통적인 부식 연구가 "자연적 잠재력"에서 재료의 성능에 더 중점을 두는 반면, 그들의 전략은 높은 잠재력에서 안정적인 합금을 특별히 개발하는 것이라고 지적했습니다. 팀은 높은 잠재력에서 작동할 때 새로운 보호 메커니즘을 형성하도록 합금 시스템을 재설계함으로써 기존 스테인리스강의 "잠재적 상한선"을 돌파하고 높은 잠재력 환경을 위한 합금 개발을 위한 새로운 패러다임을 제공했다고 믿습니다.
현재 본 연구는 초기 실험단계를 벗어났다. 관련 특허는 여러 국가에 신청되었으며, 그 중 2개는 연구가 발표되었을 때 승인되었습니다. 연구팀은 또한 SS-H2 와이어를 생산하기 위해 중국 본토의 공장과 협력하기 시작했지만 전해조에 적합한 메쉬 또는 폼 구조로 만들기 위해서는 추가 엔지니어링 개발 및 공정 최적화가 필요합니다. 부식, 염소 관련 부반응, 촉매 성능 저하, 시스템 수명 제한 등의 문제는 해수 전기분해 분야 전반에 걸쳐 만연해 있으며, 내구성을 향상시키기 위해 기존 스테인리스 스틸 표면에 코팅이나 표면 처리를 추가하는 데 많은 연구가 집중되었습니다.
이러한 경로와 달리 SS-H2는 재료 자체에서 시작하여 나중에 추가 코팅을 추가하는 대신 합금 구성과 전기 화학적 거동을 변경하여 작업 과정에서 재료가 "자발적으로" 보호 층을 형성할 수 있도록 합니다. 이러한 내생적 보호 메커니즘은 비용 관리를 고려하면서 높은 내구성을 추구할 수 있어 향후 해수 전기분해 수소 생산 장치가 대규모 상용 배치에서 더 큰 자리를 차지할 수 있는 기회를 제공할 수 있습니다. 그러나 연구진은 이 소재가 아직 산업화 초기 단계에 불과해 실제 작동 조건에서의 장기 수명과 성능은 아직 검증되지 않았다고 강조했다. 그러나 이러한 방향은 그린수소의 비용과 내구성 문제를 해결하는 것이 단순히 시스템 설계 수준의 개선이 아닌 '기본 소재'의 재구상에 의존할 수도 있음을 보여줍니다.