Special 소재/소자 AI/데이터 활용 기술 현황과 전망(2)

인공지능 및 데이터를 활용한 수전해용 프로톤 전도성 소재 개발 동향

정우석_한국에너지기술연구원 선임연구원

1.    서론

기후위기를 극복하기 위해서는 대기 중 이산화탄소 배출량을 줄여야 하며, 이는 곧 현재 화석연료 기반의 에너지 생산/저장/수송 시스템 전반에 대한 변화가 요구된다. 따라서 태양광이나 풍력 발전과 같은 신재생에너지원으로의 전환이 오늘날 시급한 과제이다. 그러나 신재생에너지는 특성상 시기, 날씨, 지역, 계절에 따라 전력 생산량의 변동이 크며, 이에 따라 수요와 공급 간의 차이를 줄이기 위해서 대용량의 에너지 저장시스템(Energy Storage System, ESS) 개발이 필요하다. 수전해 기술은 이러한 기대에 부응할 수 있는 기술로서 신재생에너지원으로부터 생산된 전력을 이용해 만들어지는 청정수소는 에너지 저장용량이 크고 저장 및 운송이 가능하기에, 지구온난화 해결을 위한 주요 탄소중립 기술의 하나로 주목받고 있다. 과기부는 2024년 2월 100대 탄소중립 핵심기술을 선정하며, 이 중 세 가지 수전해 기술(알칼라인, PEM, 차세대)을 포함시켰다. 

  수전해 기술은 크게 4가지로 알칼라인, 고분자 전해질막 (Proton Exchange Membrane, PEM), 음이온 교환막, 고체산화물 수전해기술이 있다. 이 중에서 고온에서 동작하는 고체 전해질 기반 수전해 시스템(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)은 저온에서 작동하는 다른 수전해 기술에 비해 100%에 근접하는 우수한 효율과 빠른 수소 생산속도 및 높은 가격 경쟁력을 보인다. 산소 이온 전도성 기반 고체전해질을 사용하는 기존 SOEC 시스템의 경우, 낮은 이온 전도도로 인해 750도 이상의 높은 작동온도가 요구된다. 그러나 이러한 높은 작동온도는 셀 및 스택의 여러 부품의 열화를 촉진하여 장기 내구성을 저하시키는 요인이 된다. 따라서 SOEC의 작동온도를 낮추기 위한 노력이 주요한 연구방향이 되고 있다. 특히 프로톤(수소이온) 전도성 고체산화물 소재는 산소이온 전도성 고체전해질에 비해 이온 이동에 대한 활성화 에너지가 작다. 이에 따라 동일한 온도에서 보다 높은 이온전도도를 보여 성능은 유지하면서도 작동온도를 낮춘 SOEC로서 프로톤 세라믹 수전해 (Protonic Ceramic Electrolysis Cell, PCEC) 기술이 차세대 기술로 주목받고 있다.

  본 기고문에서는 프로톤 세라믹 수전해 기술 및 전해질 소재에 대한 소개를 시작으로 관련 연구현황과 새로운 전해질 소재개발을 위한 인공지능 기술을 접목한 최근의 연구 및 한계에 대해 소개하고자 한다.

그림 1. 산소이온 및 프로톤 전도성 수전해 셀의 작동원리 비교[1] 및 주요 전해질 소재의 전도도[2]

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