화학연, '탄소포집·활용 핵심' SOEC 상용화 난제 해결

[충청뉴스 이성현 기자] 한국화학연구원이 탄소포집·활용(CCUS) 인프라의 핵심 장치로 주목받는 고체산화물 전기분해장치(SOEC)의 고질적인 내구성 저하 문제를 해결하는 데 성공했다.

24일 화학연에 따르면 김민철·박지훈·이진희 박사 연구팀은 니켈 기반 SOEC 내부의 전해질 계면 구조를 혁신적으로 설계함으로써 고온 환경에서 고체 전해질 층이 파손되는 한계를 극복하고 이산화탄소(CO₂)를 일산화탄소(CO)로 고효율 전환할 수 있는 원천 제조 기술을 확보했다.

전기화학적 방식으로 작동하는 SOEC는 CO₂를 재생에너지 기반의 발전소·제철소 등 산업 공정에서 배출되는 탄소순환 원료로 재활용하는 e-fuel 및 Power-to-X(PtX) 산업의 핵심 장치다.

기존 고성능 장비들은 산소 이온 전도성을 높이기 위해 내구성이 우수한 YSZ(이트리아 안정화 지르코니아)와 이온 이동성이 높은 GDC(가돌리늄 도핑 세리아)를 이중 전해질 구조로 혼용해 왔으나 두 소재 간 열팽창률 및 소결 수축 특성 차이로 인해 1300~1400°C급 고온 제조와 운전 과정에서 물리적 균열인 ‘계면 박리’가 발생하는 한계를 안고 있었다.

이에 연구팀은 학계가 주목하던 기존의 고비용 물리·화학 증착법(PVD·PLD) 대신 액체 조각에 담가 코팅하는 단순한 ‘딥코팅(dip-coating)’ 공정을 도입해 YSZ와 GDC 분말이 혼합된 ‘복합 완충층’을 삽입하는 경제적 대안을 제시했다.

 이 완충 구조를 통해 고온 변형 스트레스를 흡수한 신형 소자는 1.6V의 고부하 구동 조건에서 80시간 연속 운전 후에도 초기 성능의 91%를 유지하는 높은 내구성을 달성했으며 단위 면적당 처리 속도를 뜻하는 전류밀도를 기존 0.59에서 $2.14암페어 퍼 제곱센티미터(A/cm²)로 3.6배나 끌어올려 니켈 기반 SOEC 기준 세계 최고 수준의 효율을 확보했다.

연구팀은 현재 동전 크기의 소형 단전지(Single cell) 검증을 넘어 스마트폰 크기의 평관형 셀로 스케일업(Scale-up) 연구를 진행 중이며 향후 대형 스택 제조 기술과 재생에너지 연계 전력 최적화 등 대량생산 패키지 과제를 해결해 나갈 방침이다.

화학연 신석민 원장은 “고체산화물 전기분해장치의 CO₂ 전환 효율과 상용화를 가로막던 내구성 문제를 동시에 해결한 성과”라고 말했다.