‘효율 4배’ 일체형 그린 수소 연료전지 개발

KIST “신개념 부품 개발해 운전 효율 대폭 향상”

[아시아경제 김봉수 기자] 최근 신재생에너지의 일환으로 이산화탄소 발생없이 생산하는 그린 수소가 부각되고 있는 가운데, 국내 연구진이 그린 수소의 생산ㆍ전력생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지의 효율을 크게 향상시켜 관심을 끌고 있다.

한국과학기술연구원(KIST)은 수소ㆍ연료전지연구단 박현서 박사팀 등 공동연구팀이 새로운 개념의 부품 개발을 통해 수소 생산-수소 이용 전력생산의 순환 운전 장치 안에서 물과 가스가 서로 섞여 빠르게 이동하지 못하는 문제를 해결해 운전효율을 크게 향상시켰다고 26일 밝혔다.

일체형 재생 연료전지는 수소생산과 연료전지 운전이 모두 가능하다. 수전해(물을 전기 분해해 수소를 생산) 장치와 연료전지 장치를 각각 설치했을 때보다 가격적, 공간적 이점을 갖는다. 태양광, 풍력 등의 신재생에너지로부터의 전기생산이 수요보다 많으면 수전해 운전을 통해 수소를 생산해 에너지를 저장하고, 전력수요가 더 많으면 반대로 연료전지 운전으로 전력공급에도 쓸 수 있다. 수전해 운전을 통한 수소생산이 빠르게 일어나기 위해서는 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 하며 이때 생성된 수소와 산소 또한 빨리 빠져나와야 한다. 연료전지 운전에서도 마찬가지다.

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 현상에 주목했다. 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단했다.

이에 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 만들어 물과 가스의 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했다. 개발된 전극의 표면에서 선택적으로 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출돼 나왔다.

연구팀은 특히 새로 개발된 부품을 일체형 장치에 적용해본 결과 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배 성능이 높아지는 것을 확인했고, 160시간 동안 운전해 안정성도 검증했다.

KIST 박현서 박사는 “연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 사용을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용한 것”이라며 “해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 '사이언스 어드밴스(Science Advances)' 최신호에 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr