하이브리드 고체산화물 수전해전지를 개발한 UNIST 연구진의 모습. 사진 왼쪽부터 김준영 연구원, 김건태 교수, 권오훈 연구원.(사진 = UNIST 제공)
물을 전기로 분해해 수소를 얻을 수 있는 '수전해'는 청정기술 이지만 전기가 많이 든다는 단점이 있다.
이같은 단점을 보완한 새로운 수전해전지가 개발돼 주목 받고 있다.
UNIST(울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 김건태 교수팀은 한국에너지기술연구원(KIER) 임탁형 박사, 숙명여대 신지영 교수와 공동으로 물을 전기분해해 수소를 얻는 '하이브리드 고체산화물 수전해전지(Hybrid-SOEC)'을 개발했다고 14일 밝혔다.
특히 이 수전해전지는 두 전극과 전해질이 고체로 이루어져 기존 기술 보다 적은 전기를 쓰면서 수소는 더 많이 얻을 수 있다.
고체산화물 수전해전지(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)는 두 전극과 전해질이 모두 고체로 이뤄진다.
때문에 구조가 간단하고 전해질 보충이나 부식 문제가 없다. 게다가 고온에서 작동해 화학반응에 필요한 전기 에너지도 줄일 수 있다.
김건태 교수팀은 한 쪽 전극에서만 일어나던 물의 전기분해 반응을 두 전극에서 모두에서 일으킬 방법을 찾아냈던 것.
비결은 기존 전해질의 숨겨진 특성을 발현시킨 데 있었다. 기존 전해질은 산소 이온이나 수소 이온 중 하나만 다른 전극으로 전했다.
이론적으로 두 이온이 모두 지나다니는 전해질을 쓸 경우, 양쪽 전극에서 모두 물의 전기분해가 일어난다는 거다.
당연히 수소 생산 성능도 크게 향상시킬 수 있다. 연구진은 이 점에 주목해 전해질 특성 조절에 초점을 맞췄다.
하이브리드 고체산화물 수전해전지 작동원리.(그림 = UNIST 제공)
제1저자인 UNIST 에너지공학과 박사과정 김준영 연구원은 "수소 이온 전도성 전해질의 구동 환경을 제어하면 두 이온이 지나다니는 '혼합 이온 전도성 전해질'을 구현할 수 있다"고 말했다.
이어 "이 전해질을 처음 도입한 '하이브리드 고체산화물 수전해전지'에서는 양쪽 전극에서 물의 전기분해가 일어나 수소 생산량이 크게 늘었다"고 덧붙였다.
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 거다.
김건태 교수는 "이번 연구는 친환경적인 수소 생산 장치 개발과 상용화에 크게 기여해 궁극의 에너지로 불리는 수소 기반 사회를 앞당길 것"이라고 말했다.
이번 연구는 에너지 분야 권위지인 '나노 에너지(Nano Energy)' 지난 5일자 온라인 속보로 공개됐다.