일체형 재생 연료전지 효율 높일 연구성과 주목

입력 2021.03.28 13:28

국내 연구진이 일체형 재생 연료전지의 효율을 크게 높일 연구성과를 보고해 주목받는다.

일체형 재생 연료전지는 수소생산과 연료전지 운전이 모두 가능한 장점을 지닌 친환경 독립 에너지 저장·전력생산 장치다. 이를 활용하면 수전해 장치와 연료전지 장치를 각각 설치했을 때보다 비용과 공간 효율을 확보할 수 있다.

김종민 KIST 선임연구원(왼쪽)과 임아연 연구원이 개발한 양친매성 전극을 실험실에서 살펴보는 모습 / KIST
한국과학기술연구원(이하 KIST)은 박현서 수소·연료전지연구단 박사팀이 김종민 물질구조제어연구센터 박사, 성영은 서울대학교 교수 연구팀과 함께 일체형 재생 연료전지 효율 향상에 기여할 연구성과를 얻었다고 28일 밝혔다.

연구팀은 이번 성과를 통해 수소 생산-수소 이용 전력생산의 순환 운전 장치 안에서 물과 가스가 서로 섞여 빠르게 이동하지 못하는 문제를 새로운 개념의 부품을 개발해 극복했다.

수전해 운전을 통한 수소생산을 촉진하기 위해서는 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 한다. 이때 생성된 수소와 산소가 빨리 빠져나와야 하며, 이와 반대인 연료전지 운전에서는 수소와 산소가 빨리 들어가고, 생성된 물이 빨리 빠져나와야 한다.

이렇게 물과 수소, 산소 가스를 이른 시간에 반복해서 주입하고 빼줘야만 일체형 장치가 일반적인 수전해 장치나 연료전지만큼 효율을 확보할 수 있다.

박현서 박사 연구팀은 수전해 운전과 연료전지 운전이 반복되는 일체형 장치에서 물과 가스가 서로 들어가고 나오는 일을 반복하는 과정에서 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어지는 현상을 확인했다.

연구진은 물의 빠른 이동을 위해서는 물을 끌어들이는 친수성 전극이 필요하고, 가스의 빠른 이동을 위해서는 물을 싫어하는 소수성 전극이 필요하다고 판단했다. 친수성이면서 소수성을 가져야 하는 모순된 성질을 갖는 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복해서 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅했다. 물을 싫어하는 성향과 끌어당기는 성향을 동시에 갖게한 것이다. 이를 통해 물과 가스의 이동이 서로 원활하게 일어날 수 있게 했다. 개발한 전극 표면에서는 최대 18배까지 더 쉽게 기체가 방출되고 있음을 확인했다.

연구진이 새로 개발한 부품을 일체형 장치에 적용한 결과, 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전에서 4배, 수소생산에서 2배 성능이 높아지는 것을 확인했다. 160시간 동안 수소생산과 전력생산을 통해 안정성 또한 검증했다.

박현서 KIST 박사는 "이번 연구는 연료전지 전력생산과 수전해 그린수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극 개념을 처음으로 일체형 재생 연료전지 전극에 적용한 결과다"라며 "해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지와 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용할 수 있을 것으로 기대한다"라고 말했다.

김동진 기자 communication@chosunbiz.com


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