‘수소생산·발전을 장치 하나로’…고효율 일체형 연료전지 개발

KIST 박현서 박사 "친수·소수 양친매성 전극 개발…수소생산 2배, 발전효율 4배 향상"

전기가 남을 때는 수전해로 수소를 생산해 저장하고 전기가 필요할 때는 저장된 수소로 발전을 할 수 있는 일체형 재생 연료전지의 효율을 획기적으로 높이는 기술을 국내 연구진이 개발했다.

 

한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀은 28일 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 서울대 성영은 교수팀과 함께 수소 생산-전력생산 순환 운전이 가능한 일체형 연료전지에서 물과 가스가 섞여 잘 이동하지 못하는 문제를 새로운 개념의 촉매 부품 개발로 극복해 운전효율을 크게 높였다고 밝혔다.

 

일체형 연료전지는 물을 전기분해하는 수전해 장치와 수소로 전기를 생산하는 연료전지 장치를 각각 설치할 때보다 가격과 공간적 이점이 있는 친환경 독립 에너지 저장 및 전력생산 장치다.

 

태양광, 풍력 등의 전기 생산이 전력수요보다 많을 때는 수전해로 수소를 생산, 저장하고, 전력수요가 많을 때는 연료전지로 전력을 공급할 수 있어 산업화할 경우 날씨 등에 따른 신재생에너지의 공급 불안정 문제를 보완할 수 있을 것으로 기대된다.

 

문제는 화학반응이 일어나는 촉매 부분에서 수전해 때는 물이 잘 공급되고 생성된 산소와 수소 가스가 빨리 빠져나가야 하고, 연료전지 운전 때는 수소 공급이 잘되고 만들어진 물이 빨리 빠져나가야 하는데 일체형 장치에서는 물과 가스가 서로 섞여 물이 고여 있거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어진다는 점이다.

 

연구팀은 이 문제를 해결하려면 물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해서는 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단하고 촉매에 두 가지 성질을 모두 부여하는 방법을 모색했다.

 

이들은 친수성인 동시에 소수성도 가지는 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅, 물을 싫어하는 소수성과 물을 끌어당기는 친수성을 동시에 갖는 양친매성 촉매 구조를 만들었다.

 

연구팀이 양친매성 촉매 구조를 일체형 연료전지에 적용한 결과, 물과 가스의 이동이 원활해지면서 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전 효율은 4배, 수소 생산 효율은 2배 높아지는 것으로 나타났다.

이런 수소 생산과 전력 생산을 160시간 동안 운전한 결과, 양친매성 촉매가 안정적으로 작동하는 것으로 확인됐다.

 

박현서 박사는 “이 연구에서 연료전지 전력생산과 수전해 수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극을 처음으로 일체형 재생 연료전지에 적용했다”며 “실용화를 위해서는 대면적 전극 제작 및 응용 연구를 추가하고 안정성도 더욱 강화해야 한다”고 말했다.

 

이 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스'(Science Advances)에 게재됐다.