최원재 교수팀, 가역고체산화물전지(rSOC)의 열 불균형 문제 해결 대안 제시
최원재 교수
휴먼기계바이오공학과
가역고체산화물전지-열배터리 통합, 수소 생산 효율 20% 이상 향상
저장한 열 에너지 활용한 수소 생산으로 탄소중립 에너지 전환 해법 제시
휴먼기계바이오공학과 최원재 교수팀이 친환경 수소 생산의 고질적 난제였던 가역고체산화물전지(reversible Solid Oxide Cell, rSOC)의 열 불균형 문제를 해결하고 수소 생산 효율을 기존 대비 20% 이상 끌어올리는 연구 결과를 발표했다.
이번 연구는 세라믹 볼 기반의 열배터리를 고체산화물전지 시스템 내부에 직접 통합해 버려지던 열을 재활용하는 대안을 제시했다. 최원재 교수(교신저자)와 제로에미션에너지시스템연구실 소속 노희주 석박통합과정생(제1저자)이 공동으로 참여한 이번 연구 결과를 담은 논문은 에너지 분야 세계적 학술지인 <Applied Energy>(IF=11.0, 화학공학 분야 상위 6.8%) 에 온라인판에 최근 게재되며 우수성을 인정받았다.
rSOC는 하나의 장치에서 전기를 생산하는 연료전지 모드와 수소를 생산하는 수전해 모드를 모두 수행할 수 있는 양방향 에너지 전환 시스템이다. 즉, 태양광이나 풍력 등으로 만든 재생에너지의 잉여 전력이 많을 때는 이를 수소로 바꾸어 저장하고, 전력이 필요할 때는 천연가스 혹은 저장된 수소로 다시 전기를 생산해 공급할 수 있다. 그러나 수전해 모드에서 고온의 스팀을 만들기 위해서 외부에서 열을 공급해줘야 하는 문제는 시스템 효율의 걸림돌이 되어왔다.
가역고체산화물전지(rSOC)의 열 배터리 통합 시스템 개념도
연구팀은 이러한 한계를 세라믹 볼 기반 열배터리를 rSOC 핫박스 내부에 직접 통합하는 방식으로 해결했다. 연료전지 모드에서 발생해 저장된 열을 수전해 모드에서 그대로 재사용하는 이 통합 구조는 rSOC의 운전 온도를 700~800°C로 안정적으로 유지해 준다. 이를 통해 기존 전지 단독 운전 시스템 대비 수소 생산 모드의 효율을 20% 이상 향상시키는 성과를 얻었다. 아울러 2차원 기반의 열배터리·시스템 통합 모델링 분석과 실제 실험 검증을 병행하여 기술의 실용화 가능성까지 함께 입증했다.
최원재 교수는 “이번 연구는 열배터리를 결합한 rSOC 기반 에너지 시스템이 수전해 모드에서 고온 스팀 생성에 필요한 열을 감소시켜 고효율 그린 수소 생산을 실현할 수 있음을 보여주었다는 점에서 탄소중립 에너지 전환의 실질적인 해법이 될 수 있을 것”이라고 연구 의의를 설명했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구논문은 「Experimental and numerical study of a modular reversible solid oxide cell – thermal battery integrated system」라는 제목으로 <Applied Energy)> 온라인판에 선공개되었으며, 오는 9월호에 실릴 예정이다.
(왼쪽부터) 최원재 교수, 노희주 석박통합과정 학생 사진