그린수소 생산 가능한 일체형 연료전지 개발

친환경 미래 에너지 자원으로 가장 먼저 언급하는 것이 수소에너지다. 수소에너지가 앞으로 우리 사회에서 중추적인 역할을 할 친환경 에너지이긴 하지만 상용화까지는 아직 조금 더 시간이 필요한 상황이다.

특히 수소 생산 방식에서의 친환경성과 연료전지의 발전 효율 등은 중점적으로 해결해 나가야 하는 과제로써 세계 유명 과학자가 연구에 몰두하고 있는 상황이다. 이러한 가운데 최근 국내 연구진이 친환경 그린 수소를 생산하고, 발전 효율을 획기적으로 끌어올린 일체형 연료전지를 개발해 관심이 집중되고 있다.

이번에 개발된 일체형 연료전지는 수소생산과 연료전지 운전 모두 가능해 수전해 장치와 연료전지 장치를 각각 설치했을 때보다 가격·공간 등에서 이점을 갖는 친환경 독립 에너지저장 및 전력생산 장치라 할 수 있다.

태양광과 풍력 등과 같은 신재생에너지로부터 전기생산이 수요보다 많으면 수전해 운전을 통해 수소를 생산해 에너지를 저장하고, 전력수요가 더 많으면 반대로 연료전지 운전으로 전력공급에 도움이 될 수도 있다.

일체형 연료전지 장치가 일반적인 수전해 장치나 연료전지만큼 효율적으로 운전되기 위해서는 물과 수소, 산소 가스를 빠른 시간에 반복적으로 주입하고 빼줘야 한다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구단 박현서 박사 연구팀은 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 서울대학교 성영은 교수 연구팀과 함께 수소 생산-수소 이용 전력생산의 순환 운전 장치 안에서 물과 가스가 서로 섞여 빠르게 이동하지 못하는 문제를 새로운 개념의 부품 개발을 통해 극복하였으며, 운전효율도 크게 향상 시키는 성과를 거뒀다.

연구 진행과정에서 연구진은 수전해 운전과 연료전지 운전이 반복되는 일체형 장치에서 물과 가스가 서로 들어가고 나오는 일을 반복하며 부분적으로 물이 고여 있거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어지는 일이 일어나는 현상을 확인했다.

연구진은 문제 해결을 위해 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하다고 판단했다. 친수성이면서 소수성을 가져야 하는 모순된 성질을 갖는 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅해 물을 싫어하는 성향과 끌어당기는 성향을 동시에 가지도록 했다.

이를 통해 물과 가스 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했고, 개발된 전극 표면에서 선택적으로 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출되어 나오는 것을 확인했다. 새로 개발된 부품을 일체형 장치에 적용해본 결과, 기존 부품 사용보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배 가까이 성능이 높아지는 결과가 도출되었다.

연구를 이끈 KIST 박현서 박사는 “이번 연구는 연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 사용을 일체형 재생 연료전지 전극에 적용한 것이다”라며, “해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다”라고 연구 의의를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행됐으며, 국제 과학 저널인 ‘Science Advances’ 최신호에 게재됐다.