수소생산·전력생산 모두 가능…‘똑똑한’ 고효율 일체형 전지

[이데일리 장영은 기자] 국내 연구진이 수소의 생산과 전력생산이 모두 가능한 일체형 재생 연료전지의 효율을 크게 향상시키는 기술을 개발했다 .

(A) 전극의 물 흡수 결과 사진 (기존전극과 양친매성 전극의 비교) (B) 전기화학적 주사현미경 실험 모식도 (C) 소수성 채널 및 친수성 채널 위에서 전기화학적 주사현미경을 활용하여 감지된 산소 비교 (자료= KIST)

한국과학기술연구원(KIST)는 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 물질구조제어연구센터 김종민 박사, 성영은 서울대 교수팀과 함께 일체형 재생 연료전지에서 물과 가스가 섞여 잘 이동하지 못하는 문제를 새로운 개념의 촉매 부품 개발로 극복했다고 28일 밝혔다.

일체형 재생 연료전지는 전기가 남을 때는 수전해로 수소를 생산해 저장하고, 전기가 필요할 때는 저장된 수소로 발전을 할 수 있다. 수소생산과 연료전지 기능을 한 가지 장치로 할 수 있어 각각을 따로 설치했을 때보다 가격적·공간적 이점을 갖는다.

다만, 일체형 재생 연료전지에 부분적으로 물이 고여 있거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어지는 일이 발생하는 문제가 있엇다. 수전해 운전과 연료전지 운전이 반복되면서 물과 가스가 서로 들어가고 나오는 일이 빈번하기 때문이다.

수소를 생산할 때는 전극에서 촉매 층까지 물이 빠르게 도달해야 하며, 이때 생성된 수소와 산소 또한 빨리 빠져나와야 한다. 반대 운전인 전력 생산시에는 수소와 산소가 빨리 들어가고, 생성된 물이 빨리 빠져나와야 한다.

연구팀은 물이 고이거나 가스가 빠져나오지 못해 효율성이 떨어지는 문제를 해결하기 위해 친수성인 동시에 소수성도 가지는 전극을 만들었다. 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅해 물을 싫어하는 소수성과 물을 끌어당기는 친수성을 동시에 갖는 양친매성 촉매 구조를 만든 것이다.

이 양친매성 촉매 구조를 일체형 연료전지에 적용한 결과, 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전 효율은 4배, 수소 생산 효율은 2배 높아지는 것이 확인됐다.

또 수소 생산과 전력 생산을 160시간 동안 운전해 양친매성 촉매가 안정적으로 작동하는 것도 검증했다.

박현서 박사는 “이 연구는 연료전지 전력생산과 수전해 수소 생산 운전 모두에서 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극을 처음으로 일체형 재생 연료전지에 전극에 적용했다”며 “해당 원리를 가스와 액체가 동시에 들어가는 전기화학적 이산화탄소 환원 전지, 질소 환원 전지 등 다른 분야에도 응용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구 결과는 국제 과학 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’(Science Advances)에 최신호에 게재됐다.

왼쪽부터 이번 기술개발을 주도한 KIST 수소 연료전지 연구단 박현서 책임연구원, 임아연 연구원, 물질구조제어연구센터 김종민 선임연구원. (사진= KIST)