양친매성 티타늄 전극(왼쪽)과 기존 전극에서 산소 기포들이 빠져나가는 이미지/KIST 제공

KIST(한국과학기술연구원) 수소·연료전지연구단 박현서 박사팀이 김종민 박사와 서울대 성영은 교수팀과 공동으로 수소 생산과 전력생산의 순환 운전이 가능한 일체형 연료전지의 문제점을 해결하는 새로운 촉매 부품을 개발했다.
일체형 재생 연료전지 내에서 물과 가스가 섞여 잘 이동하지 못하는 문제를 해결함에 따라 효율이 획기적으로 높아질 것으로 보인다.
일체형 연료전지는 물을 전기분해하는 수전해 장치와 수소로 전기를 생산하는 연료전지 장치가 한 몸으로 설치돼 있는 독립 에너지 저장 및 전력생산 장치다.
태양광, 풍력 등 재생에너지 발전의 전기 생산이 전력수요보다 많을 때는 남는 전기로 수전해를 통해 수소를 생산한 후 저장한다.
반대로 전력수요가 많을 때는 저장된 수소로 전기를 생산, 공급할 수 있어 날씨 등에 영향을 받는 재생에너지의 간헐성 문제를 보완할 수 있다.
문제는 일체형 장치에서는 물과 가스가 서로 섞여 물이 고여 있거나 가스가 빠져나오지 못해 효율이 떨어진다는 점이다.
즉, 기존 촉매는 수전해 시 원활한 물 공급과 생성된 산소와 수소 가스의 빠른 이동이 힘들다.
또 연료전지 운전 시 수소 공급이 잘 안되고 만들어진 물도 쉽게 빠져나가지 못하는 문제를 안고 있다.

(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/KIST 제공

연구팀은 촉매에 친수성과 소수성 두 가지 성질을 모두 부여하는 방법으로 해결했다.
물의 빠른 이동을 위해 물을 끌어들이는 친수성 전극과 가스의 빠른 이동을 위해서는 물을 싫어하는 소수성 전극을 응용했다.
친수성인 동시에 소수성도 지니는 전극을 만들기 위해 전극 표면에 친수성과 소수성을 반복적으로 갖는 마이크로 패턴 플라스틱을 코팅했다.
소수성과 친수성을 동시에 갖는 양친매성 촉매 구조를 만든 것이다.
양친매성 촉매 구조를 일체형 연료전지에 적용한 결과 기존 부품을 사용할 때보다 연료전지 운전 효율은 4배, 수소 생산 효율은 2배 높아지는 것으로 나타났다.
160시간 동안의 시험 운전에도 양친매성 촉매가 안정적으로 작동하는 것도 확인했다.
연구팀은 안정적이고 고성능을 나타내는 양친매성 전극을 처음으로 일체형 재생 연료전지에 적용해 성공한 만큼 향후 실용화를 위한 대면적 전극 제작 및 응용 연구에 나설 계획이다.
연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 게재됐다.

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