|
|
|
|
물을 전기로 분해해 수소를 얻는 기술을 ‘수전해’라 부른다. 이산화탄소 같은 온실가스는 물론 오염물질 없이 수소를 생산할 수 있는 청정 기술이다. 문제는 전기가 많이 든다는 점인데, 이를 해결할 새로운 수전해전지가 개발됐다. UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 김건태 교수팀은 한국에너지기술연구원(KIER)의 임탁형 박사, 숙명여대의 신지영 교수와 공동으로 물을 전기분해해 수소를 얻는 ‘하이브리드 고체산화물 수전해전지(Hybrid-SOEC)’을 개발했다. 기존보다 적은 전기를 쓰면서 수소는 더 많이 얻을 수 있는 획기적인 장치로 주목받고 있다. 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. 김건태 교수팀은 고체산화물 수전해전지로 수소 생산 효율을 높일 방법을 꾸준히 찾아왔다. 이번 연구에서는 한 쪽 전극에서만 일어나던 물의 전기분해 반응을 두 전극에서 모두에서 일으킬 방법을 찾아냈다. 비결은 기존 전해질의 숨겨진 특성을 발현시킨 데 있다. 기존 전해질은 산소 이온이나 수소 이온 중 하나만 다른 전극으로 전했다. 산소 이온을 전달하는 전해질(산소 이온 전도성 전해질)을 쓰면, 연료극에서 물의 전기분해가 일어나 수소가 나온다. 이때 산소는 전해질을 통해 공기극으로 배출된다. 반대로 수소 이온을 잘 전하는 전해질(수소 이온 전도성 전해질)을 사용하면, 공기극에서 물의 전기분해가 일어나 산소가 나온다. 이때 수소는 전해질을 통해 연료극으로 나온다. 이론적으로 두 이온이 모두 지나다니는 전해질을 쓰면 양쪽 전극에서 모두 물의 전기분해가 일어난다. 이렇게 되면 수소 생산 성능도 크게 향상시킬 수 있다. 연구진은 이 점에 주목해 전해질 특성 조절에 초점을 맞췄다. 제1저자인 김준영 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 “수소 이온 전도성 전해질의 구동 환경을 제어하면 두 이온이 지나다니는 ‘혼합 이온 전도성 전해질’을 구현할 수 있다”며 “이 전해질을 처음 도입한 ‘하이브리드 고체산화물 수전해전지’에서는 양쪽 전극에서 물의 전기분해가 일어나 수소 생산량이 크게 늘었다”고 설명했다. 하이브리드 고체산화물 수전해전지의 전극으로는 전기화학 특성이 우수한 ‘이중층 페로브스카이트(layered perovskite)’가 쓰였다. 혼합 이온 전도성 전해질에 우수한 전극 물질까지 더해 성능을 극대화시킨 것이다. 그 결과 700℃에서 1.5V 전압을 걸어줬을 때, 전지 면적 1㎠ 당 1시간에 1.9L의 수소를 생산하는 성능을 보였다. 기존 최고 효율의 수전해전지보다 4배 정도 높은 수소 생산 효율이다. 김건태 교수는 “기존 수전해 장치들과 성능을 비교해도 수소 생산에 필요한 전기 에너지가 가장 적었다”며 “물을 직접 분해하기 때문에 산소와 수소 외에 오염물질을 전혀 배출하지 않는데다 전기 소모량까지 적은 효과적인 장치”고 강조했다. 그는 이어 “신재생에너지로 만든 전기로 물을 분해해 수소를 생산하면, 전 과정에서 오염물질을 전혀 배출하지 않는 것은 물론 에너지 저장도 가능하다”며 “이번 연구는 친환경적인 수소 생산 장치 개발과 상용화에 크게 기여해 궁극의 에너지로 불리는 수소 기반 사회를 앞당길 것”이라고 기대했다. 이번 연구는 에너지 분야의 권위지, ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 12월 5일자 온라인 속보로 공개됐다. (끝)
|
|
|
|
[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경수소는 에너지 밀도가 높은데다 연료로 쓰면 물만 배출시키는 대표적인 청정 에너지원이다. 그러나 현재 수소를 얻는 과정에서는 대표적인 온실가스인 이산화탄소를 배출한다. 천연가스의 수증기 변성법(steam reforming)과 석탄의 가스화(coal gasification) 같은 방법은 모두 탄화수소를 이용하기 때문에 이산화탄소 배출을 막기 어렵다. 이를 해결하기 위해 물을 전기로 분해하거나 빛을 촉매로 이용해 수소를 생산하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 물의 전기분해하는 기술 중에는 ‘고체산화물 수전해전지(Solid Oxide Electrolysis Cell: SOEC)’를 이용하는 방법이 있다. 이 장치는 수소를 연료로 이용해 전기를 생산하는 ‘고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)’의 역반응으로 작동한다. 수소와 산소를 이용해 물과 전기를 만드는 화학반응을 거꾸로 진행시켜 물과 전기를 이용해 수소를 생산하는 것이다. 이 전지는 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 촉매인 백금(Pt)을 안 써도 되므로 경제적인 측면에서 장점도 가지고 있다. 하지만 아직 수소 생산 효율이 낮은 편이라 수소의 대량생산을 위해서는 더 많은 기술 개발이 필요하다. |
2. 연구내용이번 연구에서는 고체산화물 수전해전지에 사용되던 전해질의 작동 환경을 조절해 수소 생산 효율을 높이는 기술을 개발했다. 일반적으로 고체산화물 전해질은 ‘산소 이온(O2-) 전도성 전해질’과 ‘수소 이온(H+) 전도성 전해질’로 나뉜다. 고체산화물 수전해전지(SOEC)도 이들 전해질 종류에 따라서 구분되며(oxygen-SOEC, proton-SOEC)로 구분되며, 둘은 각각 다른 전극에서 수전해 반응을 일으킨다. 이에 따라 산소 이온 고체산화물 수전해전지(oxygen-SOEC)는 연료극에서만, 수소 이온 고체산화물 수전해전지(proton-SOEC)는 공기극에서만 수소를 생산한다. 그런데 수소 이온 전도성 전해질은 특정 온도와 환경에서 산소 이온과 수소 이온이 동시에 전도되는 특성을 지닌다. 본 연구진은 이 점에 주목해 수소 이온 전도성 전해질이 작동하는 환경을 조절해 두 이온이 모두 전도되는 ‘혼합 이온 전도성 전해질’을 개발하는 방향으로 연구를 진행했다. 이론적으로 혼합 이온 전도 특성을 가진 전해질을 고체산화물 수전해전지에 사용하면, 연료극과 공기극 모두 수전해 반응이 일어난다. 두 전극을 모두 수소 생산에 이용할 수 있으므로 생산 성능도 크게 향상시킬 수 있다는 게 연구진의 예상이었다. 이번 연구에서는 수소 이온 전도성 전해질의 작동 환경을 제어해 산소 이온과 수소 이온이 동시에 전도될 수 있도록 했다. 이를 통해 연료극뿐 아니라 공기극에서도 수전해 반응이 동시에 발생할 수 있는 하이브리드 고체산화물 수전해전지(Hybrid-SOEC)라는 콘셉트를 제시했다. 이 전지의 전극 물질로는 본 연구진이 최근 개발한 이중층 페로브스카이트(layered perovskite) 소재를 도입했다. 이 소재는 산소 이온과 전자뿐 아니라 수소 이온 관련 전기화학 특성도 높은 것으로 확인돼 하이브리드 수전해전지의 성능을 극대화시켰다. 하이브리드 고체산화물 수전해전지는 700℃에서 1.5V의 전압을 인가했을 때, 전지 1㎠ 당 1시간에 1.9L의 수소를 생산하는 성능을 보였다. 이는 지금까지 발표된 대표적인 물을 전기로 분해하는 장치(수전해 장치) 중에서 가장 높은 성능이다. 고체산화물 수전해전지(oxygen-SOEC, proton-SOEC)뿐 아니라 귀금속 촉매를 사용하는 PEM-수전해전지, 산성용액 기반 수전해 장치보다도 높은 성능을 갖는 것으로 확인됐다. (그림2와 그림3 참고) |
3. 기대효과수소경제사회가 머지않아 도래할 것으로 예측됨에 따라, 그에 상응하는 수소 인프라 개발과 확충이 주목받고 있다. 현재 수소 생산은 대부분 화석원료를 수소로 변환하는 방식으로 얻고 있어 부산물로 온실가스인 이산화탄소(CO2)를 포함한 환경오염 물질을 발생시킨다. 따라서 오염물질을 발생시키지 않는 청정수소를 대량으로 생산하기 위한 기술 개발 연구가 전 세계에서 진행되고 있다. 새로운 하이브리드 고체산화물 수전해전지(Hybrid-SOEC)는 친환경적인 수소 생산 장치 개발 및 상용화에 큰 기여를 할 것으로 기대된다. 또한 청정 수소 대량 생산이 가능해지면 수소경제사회 실현도 빨라질 것이며, 궁극의 에너지 기술이라고도 불리는 수소경제 및 산업을 우리나라가 선점할 계기도 마련될 것으로 예상된다. |
|
[붙임] 용어설명 |
1. 수전해(Steam electrolysis)물에 전기 에너지를 가해서 수소와 산소로 분해시키는 기술이다. 이 기술로 수소를 생산하면 오염물질은 전혀 발생하지 않아 친환경적이다. 참고로 일반적인 수소 생산은 천연가스나 메탄가스의 수증기 개질(steam reforming)을 통해 이뤄진다. 이 과정에서는 이산화탄소(CO2)와 같은 온실가스를 발생시키는데, 대략 1톤(ton)의 수소를 생산에 9~12톤(ton)의 이산화탄소(CO2)가 발생한다. 2. 고체산화물 수전해전지(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)고체산화물 수전해전지는 고체 전해질을 사이에 연료극과 공기극이 서로 맞붙어 있는 구조로 이뤄진다. 연료극에 공급된 물은 고체산화물 수전해전지 안에서 전기화학 반응을 일으키며 수소와 산소로 분해된다. 이때 수소는 연료극에서 나오고 산소는 전해질을 통과해 공기극에서 나오는 게 일반적이다. 고온에서 물의 전기분해가 일어나기 때문에 수소 생산에 필요한 전기량을 줄일 수 있고, 수소 발생 효율이 높다. 또 물을 직접 분해하기 때문에 수소와 산소 이외의 오염물질이 배출되지 않는 청정한 수소 생성 장치다. 3. 혼합 이온 전도성 전해질(Mixed-ion conducting electrolyte)일반적으로 고체산화물 전해질은 산소 이온(O2-) 전도성 전해질과 수소 이온(H+) 전도성 전해질로 크게 나눌 수 있다. 또 전해질의 종류에 따라서 수전해 반응은 연료극이나 공기극 중 하나에서만 발생한다. 그런데 수소 이온 전도성 전해질은 특정 온도와 환경에서 산소 이온과 수소 이온이 동시에 전도되는 혼합 이온 전도 특성을 나타낸다. 본 연구진은 전해질 작동 환경을 제어해 산소 이온과 수소 이온이 동시에 전달되는 혼합 이온 전도 특성을 발현시켜 하이브리드 고체산화물 수전해전지(Hybrid-SOEC)라는 콘셉트를 제시했다. |
|
[붙임] 그림설명 |
|
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.
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.
그림3. 대표적인 수전해 장치들과 Hybrid-SOEC 성능 비교: Hybrid-SOEC는 다른 대표적인 수전해 장치 시스템들에 비해 높은 성능을 갖는다. 물을 전기분해해 수소 생산량을 늘리려면 전류밀도가 높을수록 좋다. 이 그래프는 각각의 수전해 장치들이 일정한 전류밀도를 얻는 데 필요한 전압이 얼마나 되는지 보여주고 있다. (a)Hybrid-SOEC는 귀금속 백금(Pt)이나 이리듐(Ir)을 촉매로 사용하는 PEM-수전해 장치보다 낮은 과전압에서 동일한 전류밀도를 나타내 높은 성능을 입증했다. (b)Hybrid-SOEC는 산성 용액 기반의 수전해 장치에 주로 사용되는 Pt, PPy/MoSx, MoP|S, CoP 촉매보다도 낮은 과전압으로 같은 전류밀도를 얻을 수 있다. 다시 말해 Hybrid-SOEC의 성능이 더 우수하다는 것이다. |
|
UNIST 홍보대외협력팀 newscenter@unist.ac.kr TEL : 052)217-1234FAX : 052)217-1229 |
