울산과학기술원(UNIST) 연구진이 물을 전기로 분해해 수소를 얻을 때 적은 전기로 더 많은 수소를 얻을 수 있는 장치를 개발했다.

김건태 에너지 및 화학공학부 교수팀은 임탁형 한국에너지기술연구원(KIER) 박사, 신지영 숙명여대 교수 등과 공동으로 '하이브리드 고체산화물 수전해전지(Hybrid-SOEC)'를 개발했다고 16일 밝혔다.

수전해는 물을 전기로 분해해 수소를 얻는 기술로, 온실가스나 오염물질 없이 수소를 생산할 수 있는 청정기술이다.

▲ 하이브리드 고체산화물 수전해전지를 개발한 UNIST 연구진. 왼쪽부터 김준영 연구원, 김건태 교수, 권오훈 연구원.

문제는 전기가 많이 든다는 점인데, 이번에 김 교수팀이 이를 해결할 새로운 수전해전지를 개발한 것이다.

고체산화물 수전해전지는 두 전극과 전해질이 모두 고체로 이뤄져 구조가 간단하고 전해질 보충이나 부식 문제가 없으며, 고온에서 작동해 화학반응에 필요한 전기 에너지도 줄일 수 있다.

김 교수팀은 이 수전해전지를 활용해 수소 생산 효율을 높을 방법을 꾸준히 연구했는데, 이번에 한쪽 전극에서만 일어나던 물의 전기분해 반응을 두 전극에서 모두 일으키는 방법을 찾아냈다.

비결은 기존 전해질의 숨겨진 특성을 발현시킨 것이다.

기존 전해질은 산소 이온이나 수소 이온 중 하나만 다른 전극으로 전했다. 산소 이온이나 수소 이온을 전달하는 전해질을 사용하면 한쪽 전극에서만 수소가 나오는 것이다.

연구진은 이론적으로 두 이온이 모두 지나다니는 전해질을 쓰면 양쪽 전극에서 모두 물의 전기분해가 발생, 수소 생산 성능을 크게 향상할 수 있다는 점에 주목했다.

그 결과 두 이온이 지나다니는 '혼합 이온 전도성 전해질'을 구현, 이 전해질을 도입한 하이브리드 고체산화물 수전해전지를 개발했다.

이 전지는 700도에서 1.5V의 전압을 걸어줬을 때 전지면적 1㎡당 1시간에 1.9ℓ의 수소를 생산하는 성능을 보였다. 이는 기존 최고 효율의 수전해전지보다 4배 정도 높은 수소 생산 효율이다.

김 교수는 "물을 직접 분해하기 때문에 산소와 수소 외에 오염물질을 전혀 배출하지 않는 데다, 전기 소모량까지 적은 효과적인 장치"라면서 "이번 연구는 친환경적인 수소 생산 장치 개발과 상용화에 이바지해 궁극의 에너지로 불리는 수소 기반 사회를 앞당길 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 에너지 분야 권위지인 나노에너지(Nano Energy) 12월 5일 자 온라인 속보로 공개됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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