▲ ▲윤덕주 한국전력 전력연구원 원자력발전연구소 원자로 공학그룹 책임연구원. ▲윤덕주 한국전력 전력연구원 원자력발전연구소 원자로 공학그룹 책임연구원

수소는 에너지 부족이라는 당면과제를 해결할 수 있는 열쇠를 가지고 있다. 수소에너지는 화석연료로 이뤄져있는 자원에서 벗어나 온실가스 감축도 가능하다. 수소는 지구표면에서 세 번째로 풍부한 원소로서 물과 유기화합물에 함유돼 있다.

수소는 고밀도 에너지이고 수소를 태우는 엔진은 공해물질을 배출하지 않는다. 천연가스와 같은 일차적 연료는 아니지만 수소는 전기와 같은 에너지담체(캐리어)이다.

수소경제의 비전은 에너지담체로서 수소를 사용할 수 있는 에너지망을 구축하는 것이다. 환경문제를 생각하고 화석연료가 머지않아 고갈된다고 가정 한다면 다음 세대의 안정적인 에너지 네트워크를 구축하기 위해서 새로운 에너지패러다임이 필요하다는데 누구나 동의한다.

소득이 증가함에 따라 화석연료 사용 대신 청정에너지인 전기에만 의존하는 사회로 전환하게 되는데 이러한 시대에 전력망의 부하가 급증 할 경우 청정에너지로서 수소가 이를 보충할 수 있으며, 개개인은 필요에 따라 맞춤형으로 수소와 전기를 적절히 이용하게 될 것이다.

화석연료로부터 수소를 생산해 수소경제의 기반을 다지면서 다양한 기술이 개발되는 미래 수소경제시대에는 청정에너지로부터 수소를 생산하게 됨으로써 무공해 에너지 네트워크는 완성되는 것이다.

▲ ▲KEPRI가 개발한 SOEC 수소생산시스템. ▲KEPRI가 개발한 SOEC 수소생산시스템

여러 수소생산방법 중에서도 고체산화물형 고온증기 전기분해(SOEC) 수소생산시스템은 알칼라인 수전해 시스템의 낮은 효율을 극복하기 위해 1980년대 개발됐으나 이후 낮은 유가로 인해 상업화로 이어지지 못했다.

그러나 최근에 그린에너지로서 관심이 증폭되면서 성능개선이 이뤄지고 있다. SOEC 기술은 증기 전기분해 외에도 이산화탄소를 일산화탄소와 산소로 전기분해 할 수 있는 기술이다. 최근에는 가돌린석(Gd)을 첨가한 세리아계 세라믹 전극 등 효율과 내구성을 향상시킨 소재 개발에도 열을 올리고 있다.

SOEC에서 증기와 이산화탄소의 이중전기분해는 합성가스(CO+H2)를 생산한 후 일정한 화학공정을 거쳐 액체합성연료의 형태로 전환된다. 공기 중에서 이산화탄소를 포집하거나 에너지시스템에서 이산화탄소를 회수해 자원화하기 위한 기술로서 SOEC공정을 이용할 수 있으며 이는 이산화탄소 저장기술의 강력한 대안이 될 수 있다.

이와 같이 이산화탄소 중립의 액체 합성 수소연료를 생산함으로서 수소가스처럼 저장이 어렵지도 않고 수송에도 편리한 꿈의 인조 에너지를 탄생시킬 수 있는 기술이 바로 SOEC이다. 이산화탄소 중립이라 함은 합성탄소수소연료를 제조할 때 이산화탄소를 회수하는데 비해 탄화수소연료가 연소할 때 이산화탄소를 배출하기 때문에 이산화탄소 배출측면에서 중립이다.

수소는 미래의 대체에너지로서 전망이 매우 높으며, 화석중심의 탄산연료와 관련된 에너지위기와 환경문제에 대처할 수 있는 유일무이한 대안인 것이다. 비용 대비 효율이 떨어지는 기존 에너지 저장 장치를 대체할 만한 고효율 저장 장치도 차세대 에너지 기술로 각광을 받고 있다.

풍력·태양광 같은 자연에너지는 고갈되지 않고 공해를 일으키지 않는다는 점에서 완벽한 에너지원이다. 그러나 기상 상황에 따라 수급이 불안정하다는 단점이 있다. 이런 제약을 뛰어넘기 위해 자연에너지원으로부터 생산된 전력을 저장한 후 필요할 때 송전하는 기술이 필수적이다.

여기서 수소의 역할을 찾을 수 있다. 즉, 잉여전력이 발생하면 고온전기분해 기술을 이용해 전기를 수소로 바꾸고 다시 전력피크 시에는 연료전지기술을 이용해 수소를 전기로 바꿀 수 있다. 물론 이러한 양방향 기술이 한 시스템에서 이루어질 수 있는 기술이 바로 SOEC이다.

전력연구원이 개발한 고체산화물형 고온전기분해 수소생산시스템은 셀을 포함한 고온전해부, 제어부 및 시스템부로 크게 나눌 수 있다. 고온전해를 위해 사용되는 셀은 Ni-YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia) 연료극 지지체의 10㎝×10㎝의 평판형 셀로서 유효 활성 전극면적은 9.5㎝×9.5㎝ 이다.

셀은 10~15㎛ 두께의 Ni-YSZ 도성합금의 연료극, 10~15㎛ 두께의 YSZ 전해질, 15~20㎛ 두께의 LSCF(Lanthanum Strontium Cobalt Ferrite) 공기극으로 구성된다.

셀은 200㎛ 두께의 Ni-YSZ의 다공성 지지체를 가진다. 연료극의 지지층과 활성화층은 Ni과 YSZ(92% 안정화 지르코늄과 8㏖%의 이트리아)의 비율은 40/60%이다. LSCF의 조성 성분은 (La0.75Sr0.25) 0.95 Co-Fe이다. Ni-YSZ전극의 니켈산화물은 750℃ 수소환경에서 니켈로 분해된다.

셀은 수소와 산소 유량 분배판 사이에 설치된다. 전극의 전류를 공급하기 위해 금박 혹은 니켈박판을 접촉시킨다. 가스 분배판은 전극과 같은 재료로 만들어져있고 각 모서리는 유리봉으로 알루미나 판재 사이를 밀봉을 하게 된다.

▲ ▲SOEC와 SOFC의 운전원리. ▲SOEC와 SOFC의 운전원리

가스 입구나 출구를 위한 통로는 알루미나 블록으로 제조하고 전류 측정은 알루미나 블록을 통과하게 되는데 전극별로 전압을 측정하기 위해 전압계를 설치한다. 셀의 전류밀도분포가 불균일하기 때문에 상당한 전류가 금속박판을 통해 흐르는 현상을 평면전압 측정을 통해 감지할 수 있다. 시험장치는 목표온도에서 셀을 운전하도록 전기로 내부에 설치하여 실험을 수행한다.

전력연구원에서 개발하고 오선텍(주)·세라파워(주)에서 제작한 고체산화물형 고온전기분해 수소생산시스템에서 1,000시간 동안 운전을 한 결과 80~90% 정도의 전기분해 효율을 보여줬으며 이는 세계 최고 수준이라 할 수 있다.

고온의 증기 하에서 운전되는 셀은 열화과정을 거쳐 성능이 저하된다. 전해질에서 균열, 전극의 박리현상, 혹은 유사현상, 규소 불순물의 연료극 오염으로 인해 규소 불순물 테를 형성하면서 2상계면 혹은 3상 계면의 상당한 부분을 덮음으로서 성능저하가 일어난다. 이번 실험에서는 1,000시간에 10%의 성능저하를 경험했으나 향후 성능개선을 위한 연구를 통해 이를 최소화 할 수 있는 세라믹 신소재개발에 주력할 예정이며 또한 셀 장수명화와 수소생산량을 증대하기위한 대면적화 연구를 계속할 예정이다.