금오공과대학교(총장 이상철) 기계공학과 최시혁 교수(36) 연구팀이 미국 노스웨스턴 대학(Northwestern University)의 소시나 하일레(Sossina M. Haile) 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 고순도·고효율 수소 생산이 가능한 프로톤 전도성 전해질 기반의 차세대 세라믹 수전해전지를 개발했다.
최근 환경문제로 친환경 수소차에 대한 관심이 높아지면서 수소를 에너지원으로 하는 다양한 기술이 주목받고 있다. 현재 대부분의 수소는 메탄의 수증기 개질법으로 생산되고 있는데 이 방법은 환경에 악영향을 주는 이산화탄소를 함께 배출시키는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 물을 전기로 분해해 수소를 생산하는 ‘수전해전지’기술이 청정 기술로 주목받고 있지만 이 역시 전기를 많이 소모한다.
한편, 구성요소가 모두 고체로 이뤄진 ‘고체산화물 수전해전지(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)’의 경우에는 기존 수전해전지 기술보다 적은 전기량을 사용해 더 많은 수소를 생산할 수 있다. 또한 프로톤 전도성 세라믹 소재를 전해질로 사용한 ‘프로톤 세라믹 수전해전지(Protonic Ceramic Electrolysis Cells, 이하 PCEC)’는 프로톤의 높은 전도도에 의해 낮은 작동 온도에서도 수전해 구동을 할 수 있다. PCEC는 생산된 수소와 수증기를 따로 분리할 필요가 없어 효율성이 높은 수전해 시스템 운용이 가능하다.
연구팀은 전자(electron)와 산소이온에 대한 높은 전도성과 함께 프로톤 전도 특성도 뛰어난 ‘삼중 전도성 공기극 소재’와 화학적으로 매우 안정된 ‘전해질 소재’를 개발, 이를 프로톤 세라믹 수전해전지에 적용함으로써 수전해 성능과 안정성을 극대화시켰다. 그 결과 600℃에서 1.3V의 전압을 가했을 때, 1cm2 면적의 전지에서 하루에 약 14L의 수소를 생산할 수 있는 성능을 구현하는데 성공했다. 이는 기존 연구에서 2배 이상 수소 생산량을 향상시킨 것으로, 500시간 이상 장기 구동에도 성능 감소 없이 우수한 수소 생산 효율을 구현했다.
최시혁 교수는 “이번에 개발된 프로톤 세라믹 수전해전지의 경우, 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해 기능을 향상하는 동시에 수소연료전지 기능을 하나로 완벽하게 결합했다”며, “이는 쓰고 남은 전기를 수소로 저장하고 이 수소를 사용하여 다시 전기로 변환이 가능해 수소 에너지 상용화에 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이번 연구는 에너지 분야 최상위급 SCI 학술지인 ‘에너지 및 환경 과학(Energy & Environmental Science, Impact factor: 30.067)’의 1월호 온라인판에 “Protonic ceramic electrochemical cells for hydrogen production and electricity generation: exceptional reversibility, stability, and demonstrated faradaic efficiency”란 제목으로 게재됐다.
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