^* 수소 0.9L는 수소연료전지 자동차를 약 25km 주행할 수 있는 양이다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

수소는 연소 후 물만 배출시키는 지구상에서 가장 깨끗한 연료로 꼽힌다. 또 에너지 밀도가 높아 미래 청정 에너지원으로 각광받고 있다. 현재 전 세계 수소 생산량 중 90% 이상은 천연가스의 수증기 변성법(steam reforming)과 석탄의 가스화(coal gasification)를 통해 생산되고 있다.

하지만 천연가스 등 탄화수소를 이용한 수소 생산 방식은 온실가스의 주범인 이산화탄소를 발생시킨다. 이 방식을 대체하는 친환경적 무탄소 배출 수소 생산 방법으로 물의 전기분해나 광전기화학 등을 통한 수소 생산 연구가 활발히 진행되고 있다.

물의 전기분해를 이용하는 고체산화물 수전해전지(solid oxide electrolysis cell: SOEC)는 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell: SOFC)의 역반응으로 작동하는 전지다. 모든 구성요소가 고체로 이뤄져 다른 연료전지에 비해 구조가 간단하고, 전해질의 손실 및 보충과 부식의 문제가 없다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 상대적으로 수소 생산 효율이 좋아 값비싼 귀금속 촉매(Pt)를 안 써도 되므로 경제성도 갖추고 있다.

SOEC의 연료극(양극)으로 보편적으로 쓰이는 물질인 니켈 서멧(Ni cermet: 세라믹스와 금속의 합금) 소재는 초기 수소 생산 성능은 좋은 편이다. 하지만 오래 사용하게 되면 니켈의 결정립 조대화(Coarsening)가 일어나 장기간 수소 생산에 있어 안정성이 떨어진다는 문제점이 있다.

또한 공기극(음극)으로 많이 쓰이는 페로브스카이트(perovskite) 소재는 수전해 반응 시 수소와 함께 생산되는 산소의 분압이 높아지는 환경에서 산소 수용력이 떨어진다. 이는 전극의 미세구조의 변화에 따른 박리 현상을 일으켜 장기 작동성을 낮추는 단점이 있다. 따라서 이러한 전극의 문제점을 해결할 수 있는 고체 산화물 수전해 전지 개발 연구가 필요하다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 수전해 전지 작동 환경에서 전극 소재의 안정성을 확보해 수소 생산 성능 향상과 함께 장기 작동 안정성을 확보하고자 했다. 본 연구진은 세계 최초로 이중층 페로브스카이트를 연료극과 공기극에 동시에 도입한 SOEC를 개발했다. 이중층 페로브스카이트 시스템은 열적 화학적 안정성을 가지고, 전기 전도도와 산소 이온의 이동속도가 뛰어나며, 산소 수용력이 뛰어나 산소 분압이 높은 환경에서 안정한 성능을 보인다.

이번에 개발한 SOEC의 성능을 시험한 결과 700℃에서 600시간 이상 안정한 수소 생산 성능을 보였다. 또 800℃에서 1.5V의 전압을 인가해주었을 때, 1시간에 제곱센티미터(㎠) 당 0.9L의 수소를 생산할 수 있는 성능을 보였다. SOFC 및 SOEC의 작동 사이클 실험에서 14회 동안 안정한 작동 사이클을 나타냈다. 이는 상황에 따라 수소 생산과 전기 발전으로 전환시키면서 작동 가능함을 의미한다.

3. 기대효과

수소경제사회가 머지않아 도래할 것으로 예측되며, 이에 상응하는 수소 인프라 개발과 확충 기술이 주목받고 있다. 현재 수소 생산은 대부분 화석원료를 수소로 변환하여 생산하고 있어 부산물로 온실가스인 CO2를 포함한 환경오염 물질이 발생시킨다. 따라서 오염 물질 발생 없는 청정 수소의 대량 생산을 위한 기술 개발 연구가 전 세계에서 진행되고 있다. 2015년 12월 신기후체제인 ‘파리 협정’이 체결됨에 따라 196개국에 부과된 온실 가스 감축의무 역시 이러한 청정 수소 생산 연구를 가속화할 것으로 기대된다.

오염물질 없이 청정한 수소를 대량으로 생산할 수 있는 SOEC의 개발은 환경친화적인 수소 생산 장치 개발과 상용화에 크게 기여할 전망이다. 또 청정 수소의 대량생산은 수소경제사회의 실현을 촉진시킬 뿐 아니라 아직 ‘블루오션’인 수소경제 및 산업을 우리나라가 선점할 계기가 될 수 있다. 이런 기술들은 수소 산업을 우리나라의 새로운 성장동력으로 만들어줄 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 고체산화물 수전해전지(SOEC, solid oxide electrolysis cell)

○ 산화지르코늄(ZrO2)이나 세리아(CeO2) 등의 고체산화물을 전해질로 이용하는 수전해 전지. 물을 600℃ 이상의 고온에서 전기분해해 수소와 산소를 생산하는 수소 발생 장치다.

○ 고체산화물 수전해전지는 고체전해질을 사이에 두고 서로 맞붙어 있는 두 개의 전극(연료극, 공기극)으로 구성된다. 연료극에 공급된 물이 전기화학반응을 통해 수소와 산소로 분해된다. 수소는 연료극에서 생성되고, 산소는 전해질을 통과해 공기극에서 나온다.

○ 고온에서 물의 전기분해가 일어나기 때문에 수소 생산에 필요한 전기의 양을 줄일 수 있고, 수소 발생 효율도 높다. 또 물을 직접적으로 분해하기 때문에 수소와 산소 이외의 오염물질이 배출되지 않는 청정한 수소 생성 장치다.

2. 이중층 페로브스카이트(layered perovskite)

○ 일반 페로브스카이트는 이온반경이 큰 희토류 등 원소들과 원자반경이 작은 전이금속 그리고 산소이온에 의해서 8면체를 이루는 물질이다.

○ 이중층 페로브스카이트는 이온반경이 큰 원자를 일부 치환함으로써 원자 크기의 차이로 규칙적으로 층이 만들어진다. 일반 페로브스카이트에 비해 산소 이동도와 수소 생성 환경에서의 구조 안정성이 우수해 고체산화물 수전해전지의 성능 및 안정성 향상에 기여하는 것으로 판단된다.

3. 수전해

○ 물에 전기에너지를 가해서 수소와 산소로 분해시켜 수소를 생산하는 기술. 물을 직접적으로 분해하기 때문에 수소와 산소 이외의 물질은 발생하지 않아 친환경적인 수소 생산 기술이다.

[붙임] 그림설명