그린수소 생산장치 성능·수명 동시 향상

왼쪽부터 이원영 성균관대 기계공학부 교수, 박중덕 삼성전기 마스터, 방세희·유현식 박사과정생. 성균관대 제공

국내 연구팀이 물을 전기로 분해해 청정에너지원 '그린수소'를 생산하는 장치인 수전해전지 성능과 내구성을 동시에 향상하는 데 성공했다.

성균관대는 이원영 기계공학부 교수팀이 삼성전기 중앙연구소와 산학 공동연구를 통해 새로운 고성능 고체산화물 수전해전지(SOEC) 설계법을 제시했다고 13일 밝혔다. 연구결과는 2월 '미국화학회(ACS) 나노'에 발표되고 1월 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈' 표지 논문을 장식했다.

고체산화물 수전해전지는 700℃ 이상의 고온에서 수증기를 전기로 분해해 수소를 생산한다. 고온에서 장시간 작동하다 보면 전지 내부의 미세한 입자들이 뭉치거나 층이 박리돼 성능이 급격히 떨어지는 문제가 있다.

연구팀은 실제 산업 현장에서 바로 적용할 수 있는 2가지 설계 전략을 제시했다.

먼저 수소가 발생하는 곳인 연료극 촉매 입자 표면에 분말 기반 원자층 증착법(ALD)을 활용해 수 나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 두께의 얇은 막을 입혀 촉매 입자가 고온에서도 서로 뭉치지 않게 고정했다. 이후 증착된 구조가 촉매 활성을 향상해 수소 생산 효율이 기존보다 약 2배 높아졌다.

두 번째로 부산물인 산소가 발생하는 곳인 공기극과 전해질이 만나는 경계면에 약 50nm 두께의 나노 코팅층을 형성했다. 정전기로 미세 입자를 뿌리는 전기정전 분무증착법(ESD)을 사용해 전지 내부에서 층과 층 사이가 벌어지는 박리 현상을 막았다. 대기압에서도 구현할 수 있어 대규모 공장에 적용하기 유리하다는 점이 특징이다.

연구팀은 "차세대 수소 생산 장치의 상용화를 가로막던 수명 문제와 제조 공정의 어려움을 동시에 해결할 수 있는 실용적인 발판을 마련했다"고 설명했다.

이 교수는 "고체산화물 수전해전지의 상용화에 있어 가장 큰 걸림돌이었던 전극 구조의 변화와 계면 박리 문제를 산학 협력을 통해 극복한 사례"라며 "나노 기술을 실제 제조 공정에 도입해 수소 에너지 시대를 앞당길 수 있는 실용적인 플랫폼을 제시했다"고 밝혔다.

연구에 참여한 박중덕 삼성전기 마스터는 "고체산화물 수전해전지의 성능과 내구성 향상을 위한 제조 기술의 가능성을 확인했다"며 "관련 기술의 산업 적용 가능성을 높이기 위해 지속적으로 협력해 나갈 계획"이라고 말했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/adfm.202525596
- doi.org/10.1021/acsnano.5c19038

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]