▲ 우상국 한국에너지기술연구원 책임연구원.

현재의 에너지 시스템은 대량생산 및 대량소비를 위해 화석에너지를 과도하게 사용함으로써 온실가스를 발생시켜 기후변화에 큰 영향을 주고 있다. 이에 에너지 공급시스템 다양화 측면에서 기존 화석연료를 이용한 에너지 공급을 최소화하고 신재생에너지를 이용한 다양한 공급기술을 확보하기 위한 많은 연구개발들이 이뤄지고 있다.

이 가운데 수소에너지는 환경 및 에너지 문제 해결을 위한 실현 가능성 있는 유력한 대안으로서, 수소에너지의 제조기술 및 이용기술의 성장과 함께 본격적으로 수소경제가 도래할 것이라는 다양한 전망들이 제시되고 있다.

그러나 고순도 수소를 효과적으로 생산하는 기술이 아직까지 확립되지 않은 상황이기 때문에 현재 대부분의 수소는 탄화수소 개질 공정에 의하여 제조하고 있다. 이러한 기술은 여전히 화석에너지에 의존적이며 CO₂ 등 환경오염 물질을 배출하기 때문에 진정한 의미의 수소 경제를 위한 대안으로는 적합하지 않다.

고체산화물수전해는 고온의 수증기를 전기분해해 수소를 제조하는 방법으로써 상대적으로 무한한 자원인 물을 이용해 공해물질 없이 대량의 수소를 제조할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

신재생에너지와 연계하여 수전해에 필요한 전기에너지를 자연으로부터 얻고자 하는 다양한 시도에 대하여, 경제적인 측면에서 최소한의 전기에너지를 이용하여 다량의 수소를 제조하는 기술이 핵심적인 이슈가 될 수 있다. 이러한 관점에서 물의 끓는점인 100도 이상에서 수증기상태로 전기분해 하는 고온수전해 기술은 액체를 전기분해하는 기존의 저온수전해 공정에 비해 전기에너지가 월등히 적게 소요되기 때문에 가장 유력한 수소제조 기술로 주목 받고 있다.

■주요 기술 이슈

수전해 기술은 기본적으로 고체산화물연료전지에 기술적인 기반을 두고 있지만 연료전지와는 전기화학 반응의 방향 및 운전조건이 다르기 때문에 기존의 연료전지 소재를 그대로 사용할 경우 내구성에 문제가 발생할 수 있다.

실제로 공기극 소재의 산소환원반응속도(ORR: Oxygen Reduction Rate)와 역반응의 차이로 인하여 연료전지 모드에서 문제가 없이 사용하던 일부 소재가 수전해 모드에서는 박리현상을 일으키는 등 다양한 문제점이 보고되고 있다. 다시 말해 연료전지에서는 산소가 전자와 회합하여 이온화되지만 수전해 공정에서는 이와 역반응으로 산소이온이 전자와 산소로 분리된다.

이러한 이유로 인해 수전해장치의 효율 및 안정성을 증대시키기 위해 소재 원천기술, 계면현상, 이온전도 메커니즘 및 열화현상 등의 기초 원천연구가 필요하다.

고온 수전해용 고체산화물 셀은 연료전지와 마찬가지로 튜브형과 평판형으로 제조할 수 있다. 특히 원자력 발전 등을 이용해 고온수전해 수소제조를 할 경우 고온 고압의 스팀을 사용해야 하므로 가압운전에 취약한 평판형 보다는 튜브형 셀을 이용하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 이 가운데 평관형 고온수전해 장치는 튜브형 셀의 기계적 우수성과 고성능 구현이 가능한 평판형 셀의 장점만을 채택한 구조로서 연결재를 일체형으로 구성할 경우 평판형 셀과 같이 적측 방식으로 스택을 구성할 수 있다는 장점이 있다. 이와 같이 세라믹 일체형으로 제작된 스택은 고온에서 부식성이 강한 금속 소재의 사용을 최소화 할 수 있으며 집적도 향상으로 단위부피당 출력밀도 (Volumetric Power Density)를 극대화 할 수 있다는 장점이 있다.

▲ 고온수전해 시험용 스택과 단위셀.

소재 열화 현상 극복위한 연구개발 필요

시간당 350ℓ H₂생산 셀 개발 목표

■각국의 연구 동향

미국, 일본 유럽을 비롯한 기술 선진국들은 21세기 에너지문제와 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 거의 유일한 대안으로서 수소에너지 기술의 연구에 심혈을 기울여 왔으며 이미 상당한 성과를 거두고 있다. 이 가운데 고온 수전해 기술은 2000년대 초반부터 미국 DOE(Department of Energy)의 NHI(Nuclear Hydrogen Initative) 프로그램을 통해 원자력을 이용하여 수소를 제조하기 위한 목적으로 개발이 추진되어 왔으며, 미국 Idaho National Lab에서 가장 주도적으로 개발을 수행하였다.

현재까지 알려진 최대 규모의 수전해 연구는 15kW(5Nm³/h)급 수전해 시스템에 관한 결과로서 2,500시간 연속운전 결과가 알려지 있지만 480시간 운전 시점에서 이미 88% (5.7 → 0.7 Nm³/h) 가량의 급격한 열화 현상이 확인돼 현재 내구성 증진을 위한 연구들이 추진 중인 것으로 알려져 있다.

한편, 최근 유럽 다개국 컨소시엄인 RelHy 프로젝트에서는 새로운 소재기술로 전 세계 고온수전해 기술을 주도하고 있으며 핵심기술을 공유하면서 급속한 기술적 성장을 이루고 있다. 기존에 사용하던 소재의 열화 현상을 극복하기 위하여 새로운 전해질 및 전극 소재를 적용하는 연구에 집중하여 최근 1~5%/1000시간 수준으로 열화연상을 제어한 다양한 연구결과를 발표하고 있다.

최근의 고온수전해 수소제조 기술은 단독으로 시스템을 구성하기 보다는 태양에너지 및 풍력에너지와 같은 자연에너지와 연계하여 신재생에너지를 기반으로 한 수소제조기술 (Renewable Electrolysis)로 발전되고 있다. 자연에너지의 시차 및 불균일성을 극복하고자 하는 다양한 연구들이 진행되고 있으며, 특히 최근에는 수소를 발전 및 에너지 저장의 개념으로 수소의 생산, 저장 및 소비를 동일한 시스템에서 구현할 수 있는 양방향 수전해 (Reversible Electrolysis)에 대한 새로운 연구들이 시도되고 있다.

■수소E사업단 연구 현황 및 전망

21세기 프론티어사업의 일환으로 한국에너지기술연구원 우상국 박사 연구팀에서 추진하고 있는 고온 수전해 수소제조 기술은 평관형 고체산화물 수전해 셀을 이용하여 800~850℃의 고온에서 다량의 수소를 제조하기 위한 연구를 추진 중에 있다.

세라믹 일체형으로 제작되고 있는 평관형 단위셀은 전 세계 수전해 연구 그룹을 통틀어 독보적인 디자인과 효율성을 인정받아 현재 8건의 국내특허가 등록되어 있고 20여 편이 넘는 국내외 특허가 출원되어 있다. 단위셀 기준 3.5~3.8L/h (800℃) 이상의 수소 제조를 하고 있으며, 현재 350L/시간 수소 제조를 목표로 스택 기술에 대한 연구에 매진하고 있다.

▲ 고온수전해 스택 평가 시험 중인 우상국 책임연구원.