수전해의 현재와 미래

수전해의 현재와 미래

대학생신재생에너지기자단 26기 이동주

 

[수전해: 그린 수소 생산의 미래]

수소는 자연에서 독립적으로 존재하지 않으며, 주로 다른 원소들과 결합해 화합물 형태로 존재한다. 수소를 에너지원으로 사용하려면 다양한 생산 과정을 거쳐야 한다. 수소 생산 방식은 크게 3가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 석유화학 공정 및 철강 제조 과정에서 부수적으로 발생하는 부생수소, 두 번째는 천연가스를 고온, 고압에서 분해하는 개질수소, 세 번째는 물을 전기분해해 수소를 생산하는 수전해 방식이 있다. 이 중 그린수소를 생산하는 방식인 수전해란, 태양광, 풍력 에너지 등 재생에너지를 통해 물을 전기분해해 얻는 수소로, 수소 추출 과정에서 이산화탄소를 배출이 없으므로 탄소중립 시대의 핵심기술로 주목받고 있다.

 

[수전해 원리]

수전해는 산화극, 환원극, 분리막, 전해질로 구성된 막-전극 접합체의 형태로 활용하며, 전기에너지를 이용해 물을 분해해 수소와 산소를 생산하는 과정이다. 물에 전류를 가하면 전해질을 통해 (+) 극에는 양이온 띤 산소가, (-) 극엔 음이온을 띤 수소가 발생하며 물이 분리된다. 수소 생산은 크게 두 가지 반응, 즉 수소발생반응(hydrogen evolution reaction:HER)과 산소발생반응(Oxygen evolution reaction:OER)으로 나뉜다.

[자료 1. 수전해 전지]

출처: SK E&S

전해질은 산성, 염기성 전해질이 사용되지만, 전해질의 산성도와 관계없이 환원극에서는 수소가 발생하고, 산화극에서는 산소가 발생한다. 산성 전해질에서는 산화극에서 물의 분해가 일어나지만 염기성 전해질에서는 환원극에서 물 분해가 일어나며, 이에 대한 반응식은 다음과 같다.

[자료 2. 수전해 반응식(왼: 염기성, 오:산성)]

출처: 세라미스트

이러한 반응은 연료전지에서 수소를 이용해 전력을 얻는 것과 반대 방향인 흡열반응에 의해 일어난다. 전기 분해가 일어나기 위해서는 일정한 전압을 공급해야 하는데 수전해의 경우 셀 전압, 즉 전지가 하는 일의 크기는 -1.23V이다. 셀 전압은 환원 반응의 평형 전위와 산화 반응의 평형 전위의 차이로 나타난다. 환원 반응의 평형 전위는 0V이고, 산화 반응의 평형 전위는 1.23V이므로 -1.23V가 이론적인 값인 것이다. 하지만 전지에서 전자이동, 물질이동, 용액저항에 의한 저항이 존재한다. 각 과정의 저항은 직렬로 연결되어 있다고 가정하고 이러한 저항에 의해 전압이 더 필요하며, 이를 과전압이라고 한다. 즉, 이론적인 -1.23V보다 더 큰 전압을 가해야 수전해 반응이 일어나게 된다. 과전압은 전류-전압 곡선을 보고 판단할 수 있으며 OER이 HER보다 과전압이 크게 측정된다. 이는 OER이 HER보다 반응 단계가 복잡하고, 많은 에너지를 필요로 하기 때문이다. 이러한 수전해는 단위전지가 직렬로 연결된 수전해 스택을 구성해 활용한다.

 

[AWE, PEM, AEM, SOEC에 대하여]

수전해는 물을 전기분해 한다는 큰 틀은 같지만, 구동 온도에 따라 저온 수전해와 고온 수전해로 나눌 수 있다. 저온 수전해에서는 전해질과 이동하는 이온의 종류에 따라 AWE, PEM, AEM으로 구분되고 고온 수전해에는 SOEC가 있다. 각 전지의 장단점을 기반해 알아보자.

AWE는 AEC(Alkaline electrolysis), 알칼리 수전해라고도 불린다. 알칼리 수전해는 전극과 분리막을 지지하는 plate와 frame, 가스 혼합을 방지하는 격막, 촉매 전극, 전해질로 구성돼 있다. Plate와 frame은 강염기 조건에 대한 내부식성이 요구되며, 주로 주철, 니켈 스테인리스가 사용된다. 격막은 다공성 소재로 이온전도를 가능하게 하지만 물질 전달을 방지하며 석면 PTFE, 폴리페닐렌설파이드, 폴리설폰 등 화학적, 기계적 안정성이 뛰어난 소재가 사용된다. 격막 제조 시 공정비용이 저렴하다는 장점이 있다. 촉매 전극은 전기화학반응을 촉진하는 역할을 하며, 니켈 메시, 폼 형태를 사용하고, 알칼리 하에서 반응이 일어나므로 저렴한 비귀금속 촉매를 사용한다. 산화극에서 니켈 기반의 물질로 니켈, 니켈-코발트, 니켈 철 합금을 사용하고, 환원에서도 니켈 기반의 물질인 니켈과 니켈-몰리브데넘을 사용한다. 비귀금속 촉매를 사용해 수소 생산 단가가 가장 낮다는 장점이 있다. 마지막으로, 전해질은 금속 전극이 있는 알칼리성 수용액(KOH) 전해질을 사용하며, 이는 OH-이온이 이동하는 매개체로 작용한다.

이러한 알칼리 수전해는 수전해 방법 중 가장 오래 연구돼 기술적 성숙도가 높아 안정적이다. 그러나 AWE는 수소와 산소가 격막을 통과하는 crossover가 일어나고 격막에 따른 큰 저항이 발생하게 된다. 이로 따라 수전해 전지의 성능 저해와 저순도 수소 및 낮은 에너지 밀도, 부식환경과 수소 정제가 필요하다는 단점이 있다.

[자료 3. AEC 수전해 전지]

출처: SK E&S

PEM(Proton Exchange Membrane Electrolysis)은 고분자 전해질막으로 PFSA를 사용하는 기술로 양성자 교환막, 고분자 전해질막 수전해라고 불린다. 이 전해질막이 분리막의 역할을 동시에 한다. 산성 환경에서 반응이 일어나기 때문에 촉매 전극 등 부품 구성에 내구성이 높은 고가의 소재가 사용된다. 환원극에서는 주로 pt계 합금이 사용되고, 산화극에서는 IrO2, RuO2 등의 귀금속 촉매가 사용된다. 반응물이 gas 형태로 AEC의 설치 공간의 최대 5배까지 줄어들어 압축적인 설계가 가능해 높은 순도의 수소를 고압에서 생산할 수 있다. 따라서 추가적인 수소의 정제, 압축 단계를 생략할 수 있으며, 풍력단지와의 적합성이 높아 재생에너지와의 조합이 높을 것으로 예상된다. 또한 아직 상용화 단계에 있어 발전에 대한 기대감이 있다. 하지만 귀금속이 사용돼 생산비용이 높고, 기술 발전에 대한 시간이 필요하다는 단점이 있다.

[자료 4. PEM 수전해 전지]

출처: SK E&S

AEM(Anion Exchange Membrane Electrolysis)은 음이온 교환막 수전해로, 고분자 전해질막이라고도 한다. 이는 AEC와 PEM의 장점을 결합한 기술로 평가된다. 염기성 조건에서 고체 고분자 전해질막을 사용해 음이온(OH-)이 이동하게 되며, 환원극에서는 니켈계 합금, 산화극에서는 니켈, 철, 코발트계 산화물이 사용된다. AEM은 AEC에서 발생하는 crossover에 의한 손실을 줄여 가동 중단 및 추가 비용 발생을 줄여준다. 또한, 귀금속 전극을 사용하는 PEM과 달리 염기성 하에서 반응이 진행되므로 전극을 저가의 전이 금속인 철, 코발트, 니켈로 사용해 비용이 적다는 강점이 있다. 그러나 개발 초기 단계에 있어 기술적 성숙도가 낮으며, AEM 소재의 내구성이 낮아 스택의 수명이 낮다. PEM과 같이 고분자 전해질막을 사용하지만 주로 탄화수소계 물질을 사용하고, 탄화수소계 물질은 PFSA보다 이온 전도도가 낮아 수소 생산의 성능이 낮다는 기술적 한계가 있다.

[자료 5. AEM 수전해 전지]

출처: SK E&S

이와 같이 그린 수소를 생산하는 다양한 저온 수전해 방식이 있다. 하지만 재생 에너지 전력은 비싸기 때문에 높은 전력 효율이 필수적이다. 따라서 수전해에 필요한 외력을 고온의 열로 대체해 전력 효율을 높이는 고온 수전해에 대한 관심이 늘어나고 있다.

고온 수전해는 고온 환경에서 작동하며, 700~800℃에서 작동하는 SOEC가 있다. SOEC는 전해질로 고체산화물 즉, 세라믹 결정을 사용하며 고체 산화물 수전해라고도 한다. 고체 산화물 전해질은 전도되는 O2-이온을 매개체로 수소를 생산한다.

 대표적인 전해질로 YSZ가 있으며, ZrO2와 Y2O3로 구성돼 있다. ZrO2에 Y2O3가 첨가되며 Zr4+이온이 Y3+로 치환되게 되며 산소 결함이 발생하게 된다. 이때 O2-이온이 빈 공간에 들어가게 되고 전해질이 O2-를 전도시키는 것이다. 따라서 전해질은 연료와 산소의 혼재를 방지하면서 산소 이온 전도도가 있어야 한다. 전극으로는 고온 환경에서 열적, 화학적으로 안정하고, 전기 전도성과 산소 이온의 전도성이 높아야 하고 고온에서 반응이 일어나므로 귀금속을 사용하지 않아도 된다. 고온에서 작동하기 때문에 90%의 높은 효율을 보이고, 산업의 공정 폐열과 원전 연계 등 외부 열원을 활용해 타 수전해 기술 대비 낮은 소비전력으로 수소 생산 단가 저감이 기대된다. 하지만 구동 조건과 높은 초기비용, 내부 구성품의 성능 저하가 일어나 유지보수에 대한 비용이 높다는 단점이 있다.

[자료 6. SOEC 수전해 전지]

출처: SK E&S

 

[앞으로의 방향성]

AWE의 경우, 고 선택성 다공성 격막 기술 개발로 상용막 대비 두께를 줄여 저항을 낮추고, 수소 투과도를 개선하는 연구가 개발 중이다. 또한, 니켈계 촉매에 납을 코팅해 역전류에 의한 열화를 최소화해 수소 발생 효율을 높였다. 납은 수소 발생에 대한 활성이 낮아 촉매로 사용되지 않지만, 니켈에 납을 코팅하면 납이 조촉매로 작용해 양성자 탈착과 물 분해를 촉진하는 것이다. 앞서 얘기했듯이, PEMEC는 풍력발전과 같은 재생 가능 에너지원과 결합할 수 있어 국내 여러 기업이 풍력발전이 설치된 곳에 PEMEC를 설치하는 횡보를 보이고 있다. AEM의 경우, 기존 전해질막이 알칼리 환경에서 안정성 취약에 대한 문제가 있었다. 이에 카바졸계 전해질막을 개발 중이며, 내염기성을 보이는 물질에 대한 연구가 지속되고 있다. AWE나 PEM은 이미 사용된 원천 소재 기술을 바탕으로, 기존 손재를 대체해 실제 활용할 수 있는 수준으로 보완, 발전시킬 예정이고 AEM은 기술의 우수성은 유지하고 완성도를 높여 AEM이 상용화될 수 있게 소재를 개발할 계획이다. SOEC는 폐열과 원자력과 결합해 사용할 계획이며, 초기 비용 및 유지보수 비용을 해결하기 위한 연구가 지속될 것이다.

이러한 수전해 기술은 2026년에 시작되는 음이온, 양이온 교환막이 결합한 양극성 수전해, 바이오매스나 암모니아를 이용해 전기화학적으로 수소를 생산하는 기술 개발도 시작할 예정이다. 미래에는 화석연료 대신 재생 가능 에너지원을 활용해 환경을 지키기 위한 친환경 에너지 기술의 핵심인 그린 수소 생산기술의 지속적인 발전이 필요하다. 수전해 기술은 그 발전을 위한 중요한 열쇠라고 생각된다.

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수소에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "수소 생산에도 그린라이트를 켜줘", 19기 문서영, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3379

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2. "맥주의 변신, 수소 생산을 위하여!", 21기 김수현, 21기 김채윤, 21기 이태환, 22기 박주은, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/3800

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참고문헌

[수전해: 그린 수소 생산의 미래]

1) SK E&S, [에너지 백과] 수전해, 2023.05.15, https://media.skens.com/4952

[AWE, PEM, AEM, SOEC에 대하여]

1) 양인범, "수전해 기술은 고밀도 수소생산과 스택기술이 관건", 가스신문, 2023.08.08, https://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=111399

2) 장재진, "미코파워, 그린수소 생산 위한 고온 수전해 시스템 개발 착수", 투데이 에너지, 2024.09.10, https://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=274380

3) 전수진, " 수전해 핵심 소재기술 고도화로 글로벌 경쟁력 확보 나선다", 공학저널, 2024.08.13,  http://www.engjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=2924 

4) SK ECOPLANT, "<에코용어사전> 수소경제 필수템, SOFC&SOEC를 알아보자", 2023.10.18, https://news.skecoplant.com/plant-tomorrow/13488/ 

[앞으로의 방향성]

1) 이상현, "촉매에 ‘납 코팅’만으로 알칼라인 수전해 내구성 증가", 월간수소경제, 2024.07.08, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=12668 

2) 전형섭, " SK에코플랜트, 캐나다 그린수소 프로젝트 풍력 부지 확보", PAX 경제 TV, 2023.09.03,  https://www.paxetv.com/news/articleView.html?idxno=184901                                                                                                 

3) S-Oil, "물속에 숨겨진 에너지 보물, 수전해 기술 편", 2024.07.29, https://story.s-oil.com/2024/07/29/%EB%AC%BC%EC%86%8D%EC%97%90-%EC%88%A8%EA%B2%A8%EC%A7%84-%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80-%EB%B3%B4%EB%AC%BC-%EC%88%98%EC%A0%84%ED%95%B4-%EA%B8%B0%EC%88%A0-%ED%8E%B8/