그린 수소 생산·발전 효율 극대화한 일체형 연료전지
그린 수소 생산·발전 효율 극대화한 일체형 연료전지
  • 함예솔
  • 승인 2021.04.02 17:15
  • 조회수 857
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탄소중립의 추진을 위한 노력의 일환으로, 화석연료를 사용하지 않고 생산하는 깨끗한 그린 수소의 중요성이 부각되고 있습니다. 국내 연구진이 이러한 그린 수소의 생산과 전력생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지의 효율을 크게 향상시켜 화제입니다.


일체형 재생 연료전지는 수소생산과 연료전지 운전이 모두 가능해 수전해 장치와 연료전지 장치를 각각 설치했을 때보다 가격적, 공간적 이점을 갖는 친환경 독립 에너지 저장 및 전력생산 장치입니다. 태양광, 풍력 등의 신재생에너지로부터의 전기생산이 수요보다 많으면 수전해 운전을 통해 수소를 생산하여 에너지를 저장하고, 전력수요가 더 많으면 반대로 연료전지 운전으로 전력공급에도 쓸 수 있습니다.


한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 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 부품을 개발해 극복하고, 운전효율을 크게 향상시켰다고 밝혔습니다. 해당 연구는 'Science Advances'에 게재됐습니다. 

KIST 연구진이 개발한 양친매성 티타늄 전극(과)과 기존 전극(우)에서 산소 기포들이 빠져나가는 이미지. 출처: KIST
KIST 연구진이 개발한 양친매성 티타늄 전극(과)과 기존 전극(우)에서 산소 기포들이 빠져나가는 이미지. 출처: KIST

물과 가스의 효율적 이동을 위한 전극 


수전해 운전을 통한 수소생산이 빠르게 일어나기 위해서는 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 하며 이때 생성된 수소와 산소 또한 빨리 빠져나와야 합니다. 이와 반대 운전인 연료전지 운전에서는 수소와 산소가 빨리 들어가고, 생성된 물이 빨리 빠져나와야 합니다. 이렇게 물과 수소 및 산소 가스를 빠른 시간에 반복적으로 주입하고 빼줘야만 일체형 장치가 일반적인 수전해 장치나 연료전지만큼 효율적으로 운전될 수 있습니다.

(A) 전극의 물 흡수 결과 사진 (기존전극과 양친매성 전극의 비교). 출처: KIST
(A) 전극의 물 흡수 결과 사진 (기존전극과 양친매성 전극의 비교). 출처: KIST

박현서 박사 연구팀은 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 확인했습니다. 연구진은 문제를 해결하기 위해서는 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단했습니다. 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 갖게 만들었습니다.

전기화학적 주사현미경 실험 모식도. 출처: KIST
전기화학적 주사현미경 실험 모식도. 출처: KIST

이를 통해 물과 가스의 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했고, 개발된 전극의 표면에서 선택적으로 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출돼 나옴을 확인했습니다. 새로 개발된 부품을 일체형 장치에 적용해본 결과, 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배 성능이 높아지는 것을 보였습니다. 또한 이러한 수소생산과 전력생산을 160시간 동안 운전하여 안정성 또한 검증했습니다.

소수성 채널 및 친수성 채널 위에서 전기화학적 주사현미경을 활용하여 감지된 산소 비교. 출처: KIST
소수성 채널 및 친수성 채널 위에서 전기화학적 주사현미경을 활용하여 감지된 산소 비교. 출처: KIST

KIST 박현서 박사는 "본 연구는 연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 사용을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용한 것이다"라며 "해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다"고 연구 의의를 밝혔습니다.


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