수소는 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.
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 국내 연구진에 의해 개발된 것이다.
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 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.
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.
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.
한편 이번 연구는 에너지 분야의 권위지, ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 12월 5일자 온라인 속보로 공개됐다. (논문명: Hybrid-solid oxide electrolysis cell: A new strategy for efficient hydrogen production)
