국내 연구진이 수소와 산소 이온 반응으로 전기를 생산하는 연료전지의 효율을 20%이상 높였다.
교육과학기술부와 한국연구재단은 김형만 인제대 교수 연구팀이 연료전지에서 수소와 산소가 흐르는 통로(채널)를 독창적으로 설계, 연료전지의 '물 넘침(Water flooding)' 문제를 해결하는데 성공했다고 18일 밝혔다.
기본적으로 연료전지는 음극 쪽에서 수소가 촉매를 만나 전자를 잃고 양(+)이온이 되면, 이 수소 이온들이 중간막(멤브레인)을 통과해 양극 쪽의 산소 음(-)이온 쪽으로 이동하면서 전류가 만들어지는 구조다.
그러나 연료전지 양극 쪽에서 수소와 산소 이온이 결합해 만들어진 물이 수소와 산소 이온의 화학 반응을 방해하는데, 이를 '물 넘침' 현상이라고 한다. 따라서 이 문제를 해결하고 물을 밖으로 원활히 배출하는 기술은 연료전지 상용화의 관건이다.
연료전지의 음·양극에는 각각 수소와 산소가 입구로 들어가서 출구로 빠져나오도록 설계된 판(분리판)이 있고, 이 판에는 기체가 흐를 수 있는 일종의 '도랑(채널)'이 파여있다.
수소는 음극쪽 분리판, 산소는 양극쪽 분리판의 도랑을 따라 흐르면서 두 판 사이의 중간막(멤브레인)을 통해 수소 양이온의 이동이 이뤄지는 것이다.
일반 연료전지의 분리판에는 보통 5개의 도랑이 파여있다. 도로에 비유하자면 5차선인 셈이다.
그러나 연구팀은 이 도랑 사이 둔덕마다 또 다른 작은 도랑을 만들었다. 5개 큰 도랑과 달리, 이 작은 도랑에는 수소나 산소와 같은 기체가 주입되지 않는다. 대신 작은 도랑을 통해서는 연료전지 내 화학반응의 결과로 만들어진 물이 흐르고, 빠져나간다.
실험 결과, 물 배출이 원활한 이 연료전지의 전력밀도는 기존 연료전지에 비해 23%나 높았다. 전력밀도는 에너지원의 단위 부피(체적)당 생산할 수 있는 에너지(㎾) 양을 말한다. 따라서 전력밀도가 높은 연료전지는 그만큼 작고 효율이 좋다는 뜻이다.
김형만 교수는 "이번 연구 성과는 97%이상의 에너지를 수입에 의존하고, 세계 10대 온실가스 배출국인 우리나라의 신재생에너지 활성을 위해 필요한 원천기술"이라며 의의를 설명했다.
이 논문은 전기화학분야 권위지 '일렉트로케미스트리 커뮤니케이션즈(Electrochemistry Communications) 온라인판에 실렸다.
(서울=연합뉴스)