국내 연구진이 일체형 재생 연료전지 효율을 크게 향상시키는 성과를 냈다. 일체형 재생 연료전지는 '그린 수소' 생산 및 연료전지 운전이 모두 가능하다.
한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진)은 박현서 수소·연료전지연구단 연구원팀이 김종민 물질구조제어연구센터 연구원, 성영은 서울대 교수 등과 수소 생산, 수소 이용 전력 생산 순환 운전 장치 내 물과 가스가 빠르게 이동하지 못하는 문제를 해결했다고 28일 밝혔다. 신개념 부품을 개발해 문제를 극복하고 효율을 크게 향상시켰다.
수전해 운전으로 빠르게 수소를 생산하려면 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 한다. 이때 생성된 수소와 산소도 빨리 빠져나와야 한다. 반대로 연료전지 운전에서는 수소와 산소가 빨리 들어가고 물이 빨리 빠져나와야 한다.
이렇게 물과 수소, 산소 가스를 빠르게 반복 주입하고 빼줘야 장치가 일반 수전해 장치나 연료전지만큼 효율을 낸다.
연구팀은 수전해·연료전지 운전이 반복되는 일체형 장치에서 물이 고이거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어지는 현상을 확인했다. 이동에 속도를 더하기 위해 친수성, 소수성 전극이 필요하다고 판단했다. 모순된 성질을 동시에 가진 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅했다.
이를 통해 물과 가스 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했고 전극 표면에서 선택적으로 기존 대비 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출되는 것을 확인했다. 부품을 일체형 장치에 적용한 결과 기존 대비 연료전지 운전에서 4배, 수소 생산에서 2배 성능이 높아지는 것을 확인했다. 160시간 동안 운전하여 안정성 또한 검증했다.
박현서 연구원은 “연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용했다”며 “해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등에도 응용할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 최기영) 지원으로 KIST 주요사업과 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행됐다. 연구 결과는 국제 과학 저널인 'Science Advances' (IF: 13.116, JCR 분야 상위 4.93%) 최신 호에 게재됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
