▲ 프로톤 세라믹 전지 제조공정에서 전해질 치밀화가 가속되는 원리

국내 연구진이 그린수소를 생산하는데 유용한 프로톤 세라믹 수전해 전지의 저온소결 메커니즘을 밝혀, 향후 청정 수소 생산 상용화를 앞당기게 됐다.

한국과학기술연구원 (KIST, 원장 윤석진) 에너지소재연구센터 지호일 박사, 이종호 박사, 강형묵 박사 연구팀은 그동안 명확히 밝혀지지 않았던 차세대 고효율 세라믹 전지인 프로톤 세라믹 전지의 전해질 소결 메커니즘을 규명해 상용화 가능성을 높였다고 21일 밝혔다.

재생에너지를 활용해 물에서 수소를 생산하는 수전해 기반의 그린 수소 생산기술은 오염물질을 발생시키지 않기 때문에 최근 주목을 받고 있다. 그 가운데 고온 수전해(solid oxide electrolysis cell, SOEC) 기술은 효율과 생산속도가 우수하다는 장점을 갖고 있다.

고온 수전해 기술 가운데 프로톤 세라믹 전지는 수소 이온을 물질 내에서 전달하는 프로톤 세라믹 전해질을 활용한 기술로 작동 온도를 기존 700℃ 이상에서 500℃ 이하로 낮출 수 있어 시스템 크기와 가격을 낮추는 동시에 열화를 늦춰 장기구동 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술이다.

그러나, 프로톤 세라믹 전해질이 전지 제조과정 중 상대적으로 낮은 온도에서 소결되는 핵심 메커니즘이 구체적으로 밝혀지지 않아 상용화 단계로의 진입이 어려웠다.

연구진은 프로톤 세라믹 전지의 전해질-전극 소결 과정에서 전극에 생성되는 중간상이 전해질의 치밀화에 영향을 준다는 사실에 착안, 다양한 모델실험을 설계 수행했다. 그 결과 전극에서 생성되는 중간상으로부터 미량의 소결조제 물질이 기화되어 전해질로 공급됨으로써 전해질의 소결을 촉진한다는 사실을 최초로 규명했다.

기체상의 소결조제는 사례가 극히 드물고 기술적으로도 관찰이 어려워 그동안 프로톤 세라믹 전지에서 전해질의 치밀화가 기화된 소결조제 때문이라는 가설은 제안된 적이 없었다. 연구진은 계산과학을 통해 기체상태의 소결조제를 검증, 해당반응이 전해질의 고유한 전기적 특성을 저해하지 않음을 확인했다. 그 결과 프로톤 세라믹 전지의 핵심 제조공정 설계가 가능할 것으로 기대된다.

KIST 지호일 박사는 “프로톤 세라믹 전지의 핵심 제조공정개발에 한걸음 더 가까워져 향후 대면적 고효율 프로톤 세라믹 전지의 제조공정연구를 진행할 계획”이라며, “기술이 성공적으로 개발되면 재생에너지 연계 그린수소 생산은 물론 차세대 원자력기술 연계 핑크수소 생산도 가능해 세라믹 전지의 상용화를 앞당기게 될 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 신재생에너지기술개발사업, 산업통상자원부 지원으로 한국에너지기술평가원 신재생에너지기술개발사업을 통해 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ (IF:23.991 JCR 분야 상위 3.211%) 최신 호에 게재됐다.