'수소와 전기 생산을 하나로'… 일체형 재생 연료전지 효율 높였다

KIST 연구진, 전극에 나노패던 코팅해 성능 개선
연료전지 운전때 4배, 수소생산때 2배 성능 높아져

KIST 김종민(왼쪽) 선임연구원과 임아연 연구원이 개발한 양친매성 전극을 실험실에서 살펴보고있다. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 수소를 만들어내면서 전기까지 만들 수 있는 일체형 재생 연료전지의 성능을 끌어올렸다.

이 일체형 재생 연료전지는 태양광과 풍력 등 신재생에너지에서 전기생산이 필요한 양보다 많으면 수소를 생산해 저장한다. 반대로 전력이 많이 필요하면 연료전지를 작동시켜 수소를 이용해 전기를 만든다.

한국과학기술연구원(KIST)은 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 서울대 성영은 교수팀과 함께 수소 생산-수소 이용 전력생산의 순환 운전 장치의 성능을 개선한 부품을 개발했다고 28일 밝혔다.

실험결과 물과 가스의 이동이 월활해졌고, 새로 개발한 전극의 표면에서 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 빠져나왔다. 연구진은 새 부품을 일체형 장치에 적용한 결과, 기존 부품보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배로 성능이 높아졌다고 설명했다. 또 이러한 수소생산과 전력생산을 160시간 동안 운전해 안정성까지 입증했다.

빠르게 수소를 생산하려면 물이 전극에서 촉매까지 빨리 도달해야 하고 이때 만들어진 수소와 산소도 빨리 빠져나와야 한다. 반대로 수소를 사용하는 연료전지는 수소와 산소가 빨리 들어가 전기를 만들고 남은 물은 빨리 빠져나와야 한다. 일련의 작업이 빠른 시간내에 반복적으로 이뤄져야 효율적으로 작동할 수 있다.

연구진이 음극에 소수성(빨간색 부분)과 친수성 물질을 코팅해 실험한 결과, 양극에서 수소를 만들어낼때 음극의 소수성 물질을 코팅한 부분에서 산소가 빨리 빠져나왔다. KIST 제공

연구진은 수소 생산과 연료전지가 반복되는 일체형 장치의 효율을 끌어올리는데 집중했다.

효율을 높이기 위해서는 물을 끌어당기는 친수성과 물을 밀어내는 소수성의 성질을 모두 갖는 전극이 필요하다. 연구진은 이를 해결하기위해 양극과 음극에 나노미터 두께로 친수성과 소수성 물질을 번갈아 가면서 코팅했다.

박현서 박사는 "이번 연구는 연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 사용을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용한 것"이라고 설명했다. 박 박사는 이어 "해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것"이라고 연구 의의를 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 '사이언스 어드벤스(Science Advances)'에 24일 게재됐다.

한편, 일체형 재생 연료전지는 수소 기반의 에너지 저장 및 변환 시스템이다. 이 장치의 이론적 에너지밀도는 3.7㎾h/㎏로 리튬이온전지보다 5.2배 높다.

또한 이 장치로 수소를 생산하는 에너지밀도는 0.4~1㎾h/㎏로 단일 수소생산 장치보다도 4~10배 높다.

[e-mail] 김만기 기자