그린 수소 한계 극복 ‘자가 발전형 수소 생산 시스템’ 개발

그린 수소 등 기존 수소 생산 방식의 한계를 극복해 안정적 수소 생산을 가능케 할 자가 발전형 수소 생산 시스템이 개발됐다.

KAIST는 신소재공학과 강정구 교수 연구팀이 아연-공기전지 기반의 자가 발전형 수소 생산 시스템을 개발했다고 22일 밝혔다.

공기전지는 일차 전지의 일종으로, 공기 중 산소를 흡수해 산화제로 사용한다. 수명이 긴 것은 장점, 기전력이 낮은 것은 단점으로 꼽힌다.

복합 기능성 촉매 소재를 활용한 아연-공기전지 기반의 자가 발전형 수소 생산 시스템 모식도. KAIST 제공

수소(H2)는 고부가가치 물질 합성의 원료다. 특히 수소의 이론적 에너지밀도는 휘발유와 디젤 등 기존 화석연료보다 3배 이상 높은 에너지밀도(142MJ/kg)를 가져 청정 연료로도 주목받는다.

국가 경제, 글로벌 경쟁력, 국민 생활 등에 근본적 변화를 이끌어낼 방안으로 수소 경제 시스템에 대한 중요도가 높아지고 있는 것이다.

하지만 현재 대부분 수소 생산 방식에는 이산화탄소(CO2) 배출 문제를 떠안는다.

같은 이유로 태양광, 풍력 등 신재생에너지로 생산한 전력으로, 물(H2O)을 분해해 수소(H2)를 생산하는 청정 그린 수소가 해결책으로 제시된다.

다만 그린 수소는 온도, 날씨 등 주변 환경에 따른 불규칙한 발전량과 이에 따른 낮은 물 분해효율은 현장에서 활용되는 데 무리수로 작용한다.

이러한 문제를 극복하기 위해 물 분해로 수소 생산에 충분한 전압(1.23V 이상)을 방출할 수 있는 공기전지가 동력원으로 주목받기도 하지만, 이 역시 충분한 용량을 구현하기 위해 귀금속 촉매를 사용해야 하는 점과 장시간 충·방전 시 촉매 소재의 성능이 급격히 떨어지는 점 등의 한계를 보인다.

물 분해 반응(산소 발생, 수소 발생)에 효과적인 촉매와 반복적인 아연-공기전지 전극의 충·방전 반응(산소 환원, 산소 발생)에 안정적인 물질을 개발하는 것이 필수 과제로 떠오른 배경이다.

(앞줄 왼쪽부터) 김동원 박사과정, 강정구 교수, 김지훈 석사과정. KAIST 제공

이와 관련해 연구팀은 산화 그래핀에 성장시킨 나노 사이즈의 금속-유기 골격체로 3가지 다른 촉매반응(산소 발생-수소 발생-산소 환원)에서 모두 효과적인 비귀금속 촉매 소재(G-SHELL) 합성법을 제시했다.

또 개발한 촉매 물질을 공기전지의 공기극 물질로 구성했을 때 기존 배터리보다 5배 높은 에너지밀도(797Wh/kg), 높은 출력 특성(275.8mW /cm²), 반복되는 충·방전 조건에서 장시간 안정적으로 구동하는 것을 확인했다.

무엇보다 아연-공기전지는 수용성 전해질로 구동돼 화재의 위험으로부터 안전하다는 점에서 차세대 에너지 저장 장치로 활용이 가능하다. 이를 토대로 연구팀은 아연-공기전지를 수전해 시스템과 연동해 수소를 생산하는 친환경 방법이 현장에서 실제 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

강 교수는 “아연-공기전지 기반의 자가 발전형 수소 생산 시스템은 현재의 그린 수소 생산에서 보이는 한계를 극복하는 데 새로운 돌파구 역할을 하게 될 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재 기술개발사업 미래기술연구실의 지원을 받아 수행됐다.

KAIST 신소재공학과 김동원 박사과정과 김지훈 석사과정이 공동 제1 저자로 참여해 집필한 연구 결과(논문)는 지난달 17일 융복합 분야 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 게재됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr