수증기 분해로 시간당 1000리터 수소생산 효율 도달

에너지연, 국산 고온수전해 전용 스택 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국에너지기술연구원(원장 이창근)이 고온에서 수증기를 전기분해해 청정수소를 생산하는 고온수전해 스택을 개발했다고 발표했다.

에너지연 수소융복합소재연구실 김선동 박사 연구진이 개발한 기술은 수증기 분해에 최적으로 설계돼 해외기술에 비해 100~200℃ 낮은 작동온도로도 높은 수소 생산효율을 나타낸다. 스택 제작에 사용된 소재·부품은 물론 설계까지 모두 국산화해 국내 청정수소 생산기술의 경쟁력 향상에 이바지할 것으로 기대된다.

'스택'은 여러 장의 수전해 셀과 금속분리판, 집전체, 밀봉재 등을 적층해 만드는 수전해 핵심 부품이다.

한국에너지연구원 연구진이 개발한 SOEC 스택에 대해 성능 평가를 하고 있다 [사진=에너지연]

차세대 수전해(물 전기분해) 기술로 꼽히는 고온수전해(SOEC, Solid Oxide Electrolysis Cell) 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.

연구진은 현재까지 대부분의 고온수전해 스택 기술은 유사 기술인 고체산화물 연료전지(SOFC)의 설계를 그대로 도입해 제작되고 있으나, 이번에 개발한 고온수전해 스택은 초기 설계 단계부터 수증기 전기분해에 최적화될 수 있도록 설계됐다고 밝혔다.

SOFC의 연료인 수소와 SOEC의 연료인 수증기는 유동 특성이 크게 다르기 때문에 수증기 유동 특성에 최적화된 분리판을 설계하고, 대용량 수소 생산에 적합한 형태의 전극 지지형 셀을 적용해, 전해질 지지형 셀 해외 기술 대비 100~200℃ 낮은 650~750℃ 온도에서 작동하면서도 뛰어는 수소 생산 효율을 확보했다는 설명이다.

이에 따라 스택이 750℃의 온도에서 작동할 경우, 하나의 셀로부터 순 발열량 기준 100%에 달하는 전기 효율로 시간당 약 32리터 의 수소 생산이 가능하다. 일반적으로 스택은 30개의 셀로 구성되는데, 이 경우 시간당 약 1000리터의 수소를 생산할 수 있다.

또 개발한 SOEC 전용 스택은 에너지연이 자체적으로 설계했으며, 스택 제작에 필요한 밀봉재, 금속분리판 등의 주요 부품은 모두 국내 소재와 설계·제조 기술로 구현됐다.

김선동 박사는 “이번 성과는 우리나라의 고온수전해 기술을 강화하는 중요한 출발점”이라며, “저렴한 그린수소 대량생산을 위한 고온수전해 기술 상용화가 곧 현실이 될 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 말했다.

이번 연구는 산업통상자원부 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 에너지연이 총괄주관기관으로 국내 9개의 산·학·연이 참여하고 있다.

에너지연은 이번 연구성과의 기술성숙도(TRL)는 3(실험실 규모의 기본성능 검증)에서 4(소재/부품/시스템 핵심 성능 평가)단계 수준이라고 밝혔다.

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)