친환경 미래 에너지, 수소의 원천기술 개발
수소경제 활성화 위한 경제성과 안정성 확보

정리 김경한 기자│자료 GIST, KAIST

수소를 생산하는 방식으로는 석유화학 공정의 부산물인 부생수소 방식, 천연가스 및 LPG, 하수슬러지 및 생활폐기물 등에서 수소를 추출하는 추출수소 방식, 재생에너지와 연계해 전기로 물을 분해해 수소를 얻는 수전해 방식이 있다.

이중 수전해방식은 가장 친환경적이지만 아직까지는 촉매로 고가의 백금이 사용돼 경제성이 떨어진다는 지적을 받아왔다. GIST Ertl 탄소비움연구센터 이재영 교수와 KAIST 화학과 김형준 교수 공동연구팀은 백금 대신 저가의 비귀금속 기반 촉매를 개발함으로써 이 문제를 해결했다.

한편, 현재 수소는 수백 기압 이상으로 압축해 충전소에 저장하는데, GIST 지구·환경공학부 박영준 교수와 KAIST 이재우 교수 공동연구팀은 90기압 이하의 낮은 압력에서 수소를 저장하는 원천기술을 개발해 안정성을 확보했다.

값싼 비귀금속 연료전지 촉매 개발

철 기반 촉매로 성능 및 내구성 극대화

GIST Ertl 탄소비움연구센터 이재영 교수(지구·환경공학부)와 KAIST 화학과 김형준 교수 공동연구팀이 값싼 비귀금속 기반의 고효율 연료전지 실용촉매 개발에 성공했다.

연구팀은 연료전지 공기극 반응인 산소환원반응 성능을 결정짓는 정확한 요인을 각각 실험과 계산화학으로 관찰했고, 이를 토대로 고성능·고내구성의 저가 비귀금속 철 기반 산소환원반응 촉매를 개발했다.

[그림 1] 금속담지 탄소나노섬유 모식도

금속담지 탄소나노섬유는 얇은 탄소층이 금속을 감싸고 있는 구조를 가지고 있다. 금속과 탄소층의 서로 다른 일함수로 인해 금속의 전자가 탄소층으로

전달되게 되고, 높아진 탄소층의 전자밀도가 산소환원 반응에 필요한 전자를 공급하게 되어 결과적으로 금속의 일함수가 산소환원 반응의 변수로서 작용

하게 된다. 이 연구는 담지 금속의 일함수에 따라 탄소층에 전달하는 전자의 양을 조절할 수 있음을 시사하며, 안정한 탄소층을 가진 비귀금속 촉매 설계

에 있어 최적의 방향을 제시한다.

일각에선 이번 연구가 수소경제 구현을 위한 고성능 연료전지 개발에 있어 새로운 가능성을 제시한 것으로 평가하고 있다.

공기극 산소환원반응은 느린 반응 속도와 함께 높은 과전압이 요구돼 연료전지 효율 향상에 걸림돌로 작용하고 있다.

현재는 백금이 가장 적합한 촉매로서 평가받고 있으나 고가이면서 제한된 자원으로 수소전기차 가격경쟁력의 제한요인으로 작용하고 있다.

이로 인해 가격 경쟁력이 높은 비귀금속 기반의 우수한 성능과 내구성을 보유한 촉매 제조 관련 연구가 주목받고 있다.

비귀금속 촉매 개발에서 가장 중요한 점은 산소환원반응 성능을 결정하는 변수를 찾고 이에 기반한 최적의 촉매를 설계하는 것이다.

변수를 찾아내기 위해서는 전기화학적 실험과 최신 계산이론에 근거한 뒷받침이 필요하다.

공동 연구팀은 전기방사법을 통해 다양한 비귀금속(니켈, 코발트, 철, 은)이 담지된 탄소나노섬유 촉매를 제조한 뒤, 이를 활용해 수용액 상에서 산소의 환원반응 성능을 비교했다. 밀도범함수 이론에 기반해 제조된 촉매의 구조 및 일함수 등을 계산했고, 촉매 성능과 상관관계를 갖는 변수 발견을 시도했다.

촉매의 성능은 탄소나노섬유에 담지된 비귀금속의 일 함수에 의해 결정됐다. 연구팀은 비귀금속의 낮은 일함수는 근처 탄소층에 전자를 많이 전달하게 되며 이로 인해 산소가 탄소층의 표면에서 더 높은 빈도로 환원할 수 있게 됨을 밝혔다. 결과적으로 철 기반의 탄소나노섬유가 최적의 일함수를 가지고, 산소환원반응에 대한 가장 높은 성능을 나타냈다.

[그림 2] 수소+천연가스 혼합 하이드레이트를 이용한 수소 저장 기술 개략도(좌, 중앙) 및 형성된 수소+천연가스 하이드레이트 모습(우)

연료전지의 수명을 증대시키기 위해서는 촉매의 내구성도 중요한 요인이다. 즉, 높은 성능과 내구성을 모두 만족하는 비귀금속 산소환원반응 촉매를 디자인하는 것이 중시되는 것이다.

공동연구팀은 철 기반의 탄소나노섬유의 내구성을 극대화시키기 위해 10%의 코발트를 포함시켜 우수한 가속내구성 평가결과를 확인했다.

GIST 이재영 교수 및 KAIST 김형준 교수는 “이번 연구는 활성이 있는 것으로 보고되고 있는 철 기반 비귀금속 촉매의 내구성 문제를 실험과 계산으로 해결한 것”이라며 “알카라인 수소기반 연료전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

GIST 이재영 교수와 KAIST 김형준 교수가 주도하고 KAIST 하윤후 박사과정생(공동 1저자)과 GIST 강신우 석사과정생(공동 1저자)이 주도적으로 참여한 이번 연구는 한국연구재단이 지원하는 기후변화대응사업의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 물리화학 분야 세계적 학술지인 저널 오브 피지컬 케미스트리 레터스(Journal of Physical Chemistry Letters) 5월 22일자 온라인 판에 게재됐다.

90기압 이하 낮은 압력의 수소 저장기술 원천기술 확보로 수소시대 선점 기대

지난 6월 10일(현지시간) 노르웨이 오슬로 인근 수소연료 충전소에서 폭발사고가 일어났다. 수소충전소는 내압 용기가 견딜 수 있는 압력의 88% 이하만 사용하고, 수소차의 수소 저장용기는 철보다 강도가 10배 높은 탄소섬유로 제작된다는 점을 감안하면 놀라운 소식이 아닐 수 없다.

그렇다고 넋 놓고 방관할 수만은 없는 상황이다. 수소저장의 안전문제에는 여러 요인이 있겠지만, 저장되는 수소의 압력을 낮춰 안정성을 더 확보하는 방안도 필요해 보인다.

이런 가운데 수소에너지 사회를 조기에 실현하기 위한 획기적 수소저장 방법이 순수 국내 연구진에 의해 개발됐다. GIST 지구·환경공학부 박영준 교수와 KAIST 이재우 교수 공동 연구팀이 90기압 이하의 낮은 압력에서 물과 천연가스를 이용한 수소저장 원천기술을 개발하는데 성공한 것이다.

수소자동차에 연료로 사용될 수소는 수소생산 시설로부터 이송돼 도심 곳곳에 세워질 수소 충전소에 우선 저장된 후 수소자동차에 주입된다. 이때 수소는 단위 부피당 매우 낮은 에너지 밀도를 가지는 특성 때문에 일반적으로 수백 기압 이상으로 압축돼 에너지 밀도가 증가된 후 수소 충전소에 저장된다.

따라서 경제성 있는 에너지저장 밀도를 유지하는 동시에 저장 압력을 획기적으로 낮춰 안정성을 유지할 수 있는 수소저장 기술 확보가 매우 중요한 기술적 요인으로 여겨져 왔다.

공동 연구팀은 친환경 소재인 물을 이용해 일종의 얼음 형태인 가스 하이드레이트를 형성하고, 여기에 천연가스(메탄 및 에탄)와 함께 수소를 주입해 수소에너지 저장 밀도를 획기적으로 개선하는 동시에 저장 압력을 90기압 이내로 낮출 수 있는 원천기술을 확보했다.

기존 순수 수소만을 이용한 가스 하이드레이트 저장방법은 수천 기압의 초고압 조건이 필요하다는 단점이 있다. 하지만 연구팀은 천연가스가 수소와 함께 가스 하이드레이트에 주입될 경우, 천연가스가 일종의 열역학적 형성 촉진제로 작용해 저장 압력을 90기압까지 획기적으로 낮추는 현상을 세계 최초로 확인했다.

현재 국내 수소 생산의 대부분을 차지하고 있는 수소부생가스는 주로 정유·석유화학·제철 산업에서 발생하는데, 이 가스를 기존 천연가스 배관망을 통해 수소+천연가스 하이드레이트 적용 수소 충전소까지 이송해 저장할 경우 수소 운송비를 획기적으로 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.

GIST 박영준 교수는 “이번 연구의 원천기술을 활용할 경우, 국내에 이미 잘 구축된 기존 천연가스 배관망을 활용해 수소를 저비용으로 이송할 수 있을 뿐만 아니라, 가스 하이드레이트 기반 수소충전소에서 수소와 천연가스 분리가 용이하기 때문에 국가 에너지믹스(Energy Mix) 정책 수립에도 큰 도움이 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

또한 KAIST 안윤호 박사는 “이번 연구를 통해 물로만 이뤄진 친환경적 특징을 갖는 가스 하이드레이트를 저압 환경에서 수소―천연가스 혼합물 저장 매체로 이용함에 따라, 앞으로 도래할 수소시대에 적용 가능한 수소저장 원천기술을 제공할 것으로 기대한다”라고 말했다.

이번 연구 성과는 교육부·한국연구재단 기초연구사업(한국형 SGER)의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 에너지 저장기술 분야 최고 권위 학술지인 에너지 스토리지 머터리얼스(Energy Storage Materials)에 6월 6일자로 온라인 게재됐다.