KIST연구진이 개발한 대면적 셀과 나노촉매 합성을 위한 특수화학 용액.[KIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 그린수소는 재생에너지로 물을 분해하는 수전해 기술을 통해 생산하기 때문에 이산화탄소 배출이 없어 탄소중립 실현을 위한 핵심 수단이다. 하지만 생산 단가가 1kg당 5달러 수준으로, 천연가스로부터 얻어지는 그레이수소 대비 2~3배 높아서 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 이 때문에 지리적인 한계로 재생에너지의 활용이 어려운 우리나라가 수소경제를 선도하기 위해서는 수전해 기술의 혁신은 필수적이다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구센터 윤경중 박사 연구팀은 600도 이상의 온도에서 장시간 1A/cm2 이상의 높은 전류 밀도를 유지할 수 있는 고온 수전해용 나노촉매를 개발했다. 고온 수전해에 적용된 나노소재의 열화 현상 파악에 그쳤던 이전 연구와 달리 개발된 나노촉매를 실제 수전해 전지에 적용해 성능과 안정성이 향상되는 효과를 검증하는 데 성공했다.

100도 이하의 온도에서 작동하는 저온 수전해와 600도 이상에서 작동하는 고온 수전해 방식 가운데 기술성숙도가 높은 것은 장치의 안정성과 소재 개발 측면에서 장점이 있는 저온 방식이다. 이에 반해 고온 수전해 방식은 물을 분해하는데 소모되는 전기에너지가 적어 생산비용이 낮은 차세대 수전해 기술이지만 높은 온도로 인한 소재의 부식, 구조 변화 등의 문제가 상용화를 가로막고 있다. 특히 저온 수전해 기술의 성능을 올리기 위해 사용하고 있는 나노소재 촉매는 작동 온도가 높으면 열화가 빠르게 일어나 고온 수전해 방식에는 활용이 어려웠다.

연구팀은 고온에서 나노촉매의 구조 변형을 일으키는 화합물의 생성을 막을 수 있는 고온 수전해 전지용 나노촉매를 개발했다. 연구팀은 투과전자현미경 등의 분석 장비로 고온 수전해 전지에 적용되는 페롭스카이트 나노촉매의 특성 변화 과정을 분석해 스트론튬 탄산염, 코발트 산화물 등 전지의 열화를 유발하는 원인물질을 밝히고 이를 제거해 높은 온도에서도 나노촉매의 모양과 크기를 유지하는 데 성공했다.

연구팀이 개발한 나노촉매를 고온 수전해 전지에 실제 적용한 결과, 수소 생산량을 2배 이상 늘리면서도 650도에서 400시간 이상 성능 저하 없이 작동했다. 또한, 대면적 수전해 전지에 적용 시에도 안정적으로 구동돼 상용화 가능성이 충분하다는 것을 확인했다.

윤경중 박사는 “나노소재를 고온 수전해 기술에 적용한 이번 연구 성과는 생산성과 내구성이라는 두 마리 토끼를 잡은 것으로 향후 청정 그린수소가 그레이수소에 대한 가격 경쟁력을 가질 수 있을 것”이라며 “상용화를 위해 고온 수전해 셀 제조업체와 협력해 양산용 자동화 공정 기술을 개발할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’ 최신호에 게재됐다.