전기로 물을 분해해 수소를 얻는 기술인 ‘수전해’는 이산화탄소와 같은 온실가스나 오염물질이 없이 수소를 생산할 수 있어서 청정기술로 각광받았다. 그러나 그동안 전기가 많이 든다는 문제가 있었는데, 이를 해결할 새로운 수전해전지가 개발됐다.

 신지영 기계시스템학부 교수팀은 울산과학기술원 김건태 교수, 한국에너지기술연구원 임탁형 박사와 공동으로 물을 전기분해해 수소를 얻는 ‘하이브리드 고체산화물 수전해전지(Hybrid-SOEC)’을 개발했다. 기존에 비해 훨씬 적은 전기를 쓰면서 수소는 더 많이 얻을 수 있는 획기적인 장치로 주목받고 있다. 이번 연구는 에너지 분야의 권위지, ‘나노 에너지(Nano Energy, IF 12.3)’ 12월 5일자 온라인 속보로 공개됐다.

(논문명: Hybrid-solid oxide electrolysis cell: A new strategy for efficient hydrogen production)

 고체산화물 수전해전지(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)는 두 전극과 전해질이 모두 고체로 이뤄진다. 그 덕분에 구조가 간단하고 전해질 보충이나 부식 문제가 없다.게다가 고온에서 작동해 화학반응에 필요한 전기 에너지도 줄일 수 있다. 신재생에너지로 얻은 전기로 수소를 생산하는 청청 에너지 발생장치다.

 신지영 교수팀은 물의 전기분해에서 장점이 많은 이 전지로 수소 생산 효율을 높일 방법을 꾸준히 찾아왔다. 이번 연구에서는 한 쪽 전극에서만 일어나던 물의 전기분해 반응을 두 전극 모두에서 일으킬 방법을 찾아냈다. 비결은 기존 전해질의 숨겨진 특성을 발현시킨 데 있다.

그림1. 하이브리드 고체산화물 수전해전지(Hybrid-SOEC) 작동 원리 모식도: (a)는 산소 이온 전도성 고체산화물 수전해전지(Oxygen-SOEC)이고, (b)는 수소 이온 전도성 전도성 고체산화물 수전해전지다. 이들 장치는 연료극이나 공기극에서만 수전해 반응이 발생한다. 양 전극에 수증기가 존재해도 한쪽에서만 수전해 반응이 일어나기 때문에 수소생산 효율이 낮다. 반면 혼합 이온 전도성 전해질을 이용한 하이브리드 고체산화물 수전해전지인 (c)는 양 전극에서 수전해 반응이 발생한다. 산소 이온과 수소 이온이 모두 확산되면서 oxygen-SOEC와 proton-SOEC를 동시에 구동할 수 있고 결과적으로 더 많은 수소를 생산할 수 있다.

 기존 전해질은 산소 이온이나 수소 이온 중 하나만 다른 전극으로 전했다. 산소 이온을 전달하는 전해질을 쓰면, 연료극에서 물의 전기분해가 일어나 수소가 나온다. 이때 산소는 전해질을 통해 공기극으로 배출된다. 반대로 수소 이온을 잘 전하는 전해질을 사용하면, 공기극에서 물의 전기분해가 일어나 산소가 나온다. 이때 수소는 전해질을 통해 연료극으로 나온다.

 신 교수는 “이론적으로 두 이온이 모두 이동하는 전해질을 쓰면 두 전극에서 물의 전기분해가 일어나 수소 생산 성능을 크게 향상시킬 수 있다는 점에 주목했다”며 “이를 위해 수소 이온 전도성 전해질의 구동 환경을 제어해 두 이온이 동시에 이동하는 ‘혼합 이온 전도성 전해질’을 구현했고, 이번 연구에서 현상을 처음 도입해 수소 발생 효율을 크게 높였다”고 설명했다.

 신 교수팀이 만든 ‘하이브리드 고체산화물 수전해전지’는 산소 이온과 수소 이온이 모두 드나들 수 있는 전해질(혼합 이온 전도성 전해질)을 사용해 양쪽 전극에서 화학반응이 일어나도록 했다. 이때 전극 물질로 ‘이중층 페로브스카이트(layered perovskite)’를 도입해 수전해전지의 성능을 극대화시켰다.

그림2. 하이브리드 고체산화물 수전해전지(Hybrid-SOEC)와 기존 장치 성능 비교: 일정한 전압에서 나타내는 전류밀도가 클수록 수소생산 효율이 높다. 이번 연구에서 700℃ 온도에서 1.3V 전압을 걸었을 때 oxygen-SOEC의 전류밀도는 약 0.40~0.52 A/㎠, proton-SOEC는 약 0.08~0.21A/㎠를 보였다. 반면 Hybrid-SOEC는 2.41A/㎠의 성능을 가지는 것으로 확인돼 셋 중 수소생산 효율이 가장 높았다.

그 결과 하이브리드 고체산화물 수전해전지는 700℃에서 1.5V 전압을 걸어줬을 때, 전지 1㎠ 당 1시간에 1.9L의 수소를 생산하는 성능을 보였다. 이는 지금까지 발표된 수전해 장치 중 가장 높은 성능이다. 또 기존의 수전해 장치들과 성능을 비교한 실험에서도 수소 생산에 필요한 전기 에너지가 가장 적게 소모되는 것으로 나타났다.

신 교수는 “하이브리드 고체산화물 수전해전지는 물을 직접 분해하기 때문에 기존 수소 생산 장치와 달리 산소와 수소 외에 오염물질을 전혀 배출하지 않는다”며 “이번 연구는 친환경적인 수소 생산 장치 개발과 상용화에 크게 기여해 궁극의 에너지로 불리는 수소 기반 사회를 앞당길 것”이라고 기대했다.