수소·전력 둘 다 잡았다… 일체형 재생연료전지 탄생

KIST 연구진, 고효율 제품 개발
수소생산2배·발전효율 4배 향상
국내 연구진이 수소와 전력을 모두 생산할 수 있는 고효율 일체형 재생 연료전지를 개발해 주목된다.

일체형 재생 연료전지는 수소생산과 연료전지 운전이 모두 가능한 독립 에너지 저장 및 전력생산 장치다. 전기로 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 장치와 연료전지 장치를 각각 설치하는 것보다 가격과 공간적 이점이 큰 게 특징이다. 신재생에너지로부터 전기생산이 수요보다 많으면 수전해 운전을 통해 수소를 생산해 에너지를 저장하고, 전력수요가 더 많으면 연료전지 운전으로 전력을 공급할 수 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진)은 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 서울대학교 성영은 교수팀과 함께 수소 생산과 수소 이용 전력생산의 순환 운전장치 안에서 물과 가스가 섞여 빠르게 이동하지 못하는 문제를 개선한 부품을 개발했다고 밝혔다.

수전해 운전을 통한 수소생산이 빠르게 일어나려면 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 하고, 이때 생성된 수소와 산소는 빨리 빠져나와야 한다. 이와 반대로 연료전지 운전에서는 수소와 산소가 빨리 들어가고, 생성된 물이 빨리 빠져나와야 한다. 이렇게 물과 수소·산소 가스를 빠른 시간에 반복적으로 주입하고 빼줘야 일체형 장치가 일반적인 수전해 장치나 연료전지만큼 효율적으로 작동할 수 있다.

KIST 연구진은 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단했다. 반대의 성격을 가진 친수성과 소수성을 동시에 가질 수 있도록, 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅해 물을 싫어하는 성향과 끌어당기는 성향을 동시에 갖게 만들었다.

이렇게 하자 전극의 표면에서 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출돼 나오는 것이 확인됐다. 새로 개발한 부품을 일체형 장치에 적용한 결과, 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전은 4배, 수소생산은 2배 성능이 높아졌다. 수소생산과 전력생산을 160시간 동안 운전해 안정성도 검증했다.

박현서 KIST 박사는 "연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산운전이 모두 가능한 양친매성 전극을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용했다"면서 "이 원리는 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등에도 응용될 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원을 통해 KIST 주요사업과 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행됐다. 연구 결과는 국제 과학 저널인 '사이언스 어드밴시스(Science Advances)' 최신 호에 게재됐다. 안경애기자 naturean@dt.co.kr