해외 상용 스택 기술 대비 작동온도 100~200℃ 저감, 수소 생산효율 경쟁 우위
한국에너지기술연구원(원장 이창근/이하 연구원) 수소융복합소재연구실 김선동 박사 연구진이 고온에서 수증기를 전기분해해 '청정수소'를 생산하는 ‘고온수전해(SOEC) 스택’을 개발했다.
연구원에 따르면 이번에 개발된 '스택'은 수증기 분해에 최적으로 설계돼 해외기술에 비해 낮은 작동온도로도 높은 수소 생산효율을 나타냈다.
차세대 수전해(물 전기분해) 기술로 꼽히는 ‘고온수전해' 기술은 수증기를 전기분해하는 방식으로 850℃에 이르는 고온의 수증기를 활용하기 때문에 저온보다 상대적으로 적은 양의 전기를 필요로 한다. 즉 높은 효율을 통해 대용량의 수소를 생산하는데 적합한 기술이다.
현재까지 대부분의 고온수전해 스택 기술은 유사 기술인 '고체산화물 연료전지'의 설계를 그대로 도입해 제작되고 있지만 연구원이 개발한 고온수전해 스택은 초기 설계 단계부터 수증기 전기분해에 최적화될 수 있도록 설계됐다.
연구진은 고온수전해의 연료인 수증기가 고체산화물 연료전지의 연료인 수소와 매우 큰 유동 특성 차이를 가진다는 점에 주목했다. 수증기는 수소보다 부피가 크고 점성이 낮아 스택 내부에서 수증기가 잘 흐르지 못하면 셀의 촉매 층에 고르게 분포되지 못해 효율이 저하된다. 이에 연구진은 수증기 유동 특성에 최적화된 분리판을 설계해 유동 균일성을 확보하고 이를 통해 뛰어난 성능을 확보하는데 성공했다.
또한 연구진이 개발한 고온수전해 전용 스택은 대용량 수소 생산에 적합한 형태의 전극 지지형 셀을 적용해 전해질 지지형 셀 해외 기술 대비 100~200℃ 낮은 650~750℃ 온도에서 작동해 소모 전력은 줄이면서도 수소 생산 효율은 우위에 있다.
스택이 750℃의 온도에서 작동할 경우, 하나의 셀로부터 '저위발열양' 기준 100%에 달하는 전기 효율로 시간당 약 32L의 수소 생산이 가능하다. 일반적으로 스택은 30개의 셀로 구성되는데 이 경우 시간당 약 1,000L의 수소를 생산할 수 있다.
아울러 연구원이 개발한 고온수전해 전용 스택은 연구원이 자체적으로 설계했으며, 스택 제작에 필요한 밀봉재, 금속분리판 등의 주요 부품은 모두 국내 소재와 설계·제조 기술로 구현됐다.
연구책임자인 김선동 박사는 “이번 성과는 우리나라의 고온수전해 기술을 강화하는 중요한 출발점”이라며 “저렴한 그린수소 대량생산을 위한 고온수전해 기술 상용화가 곧 현실이 될 것으로 전망되는 가운데 현재 개발 중인 고온수전해 전용 셀의 성능뿐만 아니라 내구성을 기존 상용품 대비 대폭 증진시켜 우리나라 기술이 이 분야에서 중심 역할을 하도록 최선을 다하겠다”고 밝혔다.
한편 이번 연구는 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 이 사업은 연구원이 총괄주관기관으로 국내 9개의 산·학·연이 참여하고 있으며, 고온수전해 기술의 선도국과의 격차를 줄이기 위해 기술의 국산화, 기술경쟁력 강화를 목표로 하고 있다.
[용어 설명]
■ 청정수소 - 온실가스 배출을 최소화(≤2kgCO2/kgH2)하면서 생산하는 수소.
■ 고온수전해(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC) - 재생에너지 또는 원자력에너지로부터 유래된 전력을 이용해 고온의 수증기를 전기분해해 청정수소를 생산하는 기술.
■ 스택 - 물 분해를 통해 생산된 수소의 생산 용량을 늘리기 위해 여러 장의 수전해 셀과 금속분리판, 집전체 및 밀봉재 등을 적층해 제작하는 수전해 핵심 부품.
■ 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) - 세라믹과 같은 고체 산화물을 전해질로 사용하는 연료전지. 연료의 화학에너지를 전기적 반응을 통해 전기에너지로 변환시키는 장치로 대기 오염을 일으키지 않고, 전기 발생 효율이 높으며, 전해질이 고체이므로 이온을 통과시키기 위해 고온에서 작동한다.
■ 저위발열량(Lower Heating Value, LHV) - 연료가 완전 연소했을 때 방출하는 열량 중 연소에 의해 생긴 수증기의 잠열을 제외한 값. 순 발열량이라고도 한다.
