에기연-삼성전기-범한퓨얼셀, 차세대 수소생산 가속

고체산화물수전해전지 스택 국산화...생산성도 높아

한국에너지기술연구원과 삼성전기,범한퓨얼셀이 차세대 수소생산에 속도를 냈다.

한국에너지기술연구원(이하 ‘에너지연’)은 수소연구단 유지행 박사 연구진이 차세대 수전해 기술로 주목받는 고체산화물수전해전지(SOEC) 스택 제조 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

연구진이 개발한 SOEC 스택 용량은 단일스택 기준 국내 최대인 8㎾다. 하루 5.7㎏의 수소 생산이 가능하다. 수소 생산능력으로 보면 국내 최고 수준이다.

연구진은 이 기술을  SOEC 분야 진입을 노리는 삼성전기와 연료전지 전문기업 범한퓨얼셀에 이전했다. 연구진은 향후 이들 기업과 협력 연구를 통해 국산화를 가속화 할 계획이다.

왼쪽부터 윤경식 선임기술원, 김태우· 유지행· 이대근 책임연구원, 김현진 선임기술원.

연구진은 이번에 개발한 기술이 양산성과 신뢰성을 모두 갖췄다고 설명했다.

SOEC 스택은 세라믹 셀, 분리판, 밀봉재 등을 층층이 쌓아 올려 만든다. 스택 용량을 늘리면 수소 생산량도 늘어나지만, 부품도 함께 늘어나 전체 제조 단가가 올라간다. 또, 각 셀이 동일한 성능을 유지해야 수소 생산 효율을 보장할 수 있다.

연구진은 이를 위해 분리판 제조 기술을 획기적으로 개선했다. 제조 단가는 낮추고 제조 시간도 크게 단축했다. 분리판 상∙하면에는 수소와 산소가 섞이지 않고 흐를 수 있도록 만드는 유로를 도장처럼 찍어내는 프레스 성형 공법으로 제작했다.

기존에는 유로를 기계적, 화학적으로 깎아내는 방식을 썼다. 이 공정은 하루에 분리판 100개를 만드는 것이 최대다. 반면 프레스 성형 공법을 이용하면 하루 1천 개 이상도 만들 수 있다. 

연구진은 또 스택에 공급된 전력이 손실 없이 사용되도록 셀, 분리판과의 접촉면적을 최대화했다. 각 셀이 균일하고 극대화된 성능을 발휘할 수 있도록 설계한 것. 여기에 적층된 부품들을 견고하게 밀봉하는 브레이징 접합기술까지 적용해 유리 밀봉재 사용량도 기존 대비 절반으로 줄였다.

연구진은 "이런 방식으로 구성한 스택은 열 충격이나 급격한 온도 변화에도 수소 누설을 1%이하로 최소화하는 등 안정적인 성능을 나타냈다"고 말했다.

한국에너지기술연구원이 개발한 SOEC 스택.

이 기술을 적용한 8㎾ 단일 스택은 2천500시간 동안 안정적으로 작동했다.

다만, 상용화까지는 다소 시일이 걸릴 전망이다. 수소 저장 용기는 내구성이 가장 중요한데, 이 문제 해결은 다른 차원이기 때문이다.

연구책임자인 유지행 박사는 “국내 대부분의 SOEC 관련 기업들이 해외 선진 기술을 도입하고 있는 상황에서 국산 소재와 부품기술을 활용한 고효율의 스택개발은 국내 기술의 자립성과 경쟁력을 높이는 중요한 역할을 할 것”이라며, “수전해 핵심기술 확보로 수소경제사회로의 전환과 탄소중립 목표달성을 앞당길 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 에너지연 기본사업과 산업통상자원부 KEIR 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.