<사진. 물을 산소와 수소 가스로 분리하기 위해서 AAA 배터리를 사용하는 저렴한 장치. 가스 거품은 저렴한 니켈과 철로 만들어진 전극에서 생성된다.
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

연료전지 자동차를 위한 새로운 수소 제조 방법

미국 연구진은 AAA 배터리를 이용해서 물을 산소 및 수소 가스로 분리할 수 있는 저렴한 장치를 개발했다. 이 수소 가스는 연료전지 자동차를 구동하는데 사용될 수 있다.

2015년에, 미국 소비자들은 자동차 제조업체로부터 연료전지 자동차를 구매할 수 있게 될 것이다. 연료전지 자동차가 무공해 자동차로 알려졌지만, 대부분의 자동차들은 천연 가스로 만들어진 수소로 구동될 것이다. 이러 천연 가스는 화석 연료이고 지구 온난화를 불러온다.

현재, 스탠포드 대학(Stanford University)의 연구진은 물의 전기 분해를 수행하기 위해서 AAA 배터리를 사용하는 저렴하고 무공해 장치를 개발했다. 배터리는 액체 물을 수소 및 산소 가스로 분리하고 두 개의 전극을 통해서 전류를 보낸다. 귀금속 촉매를 사용하는 다른 물 분리기와는 달리, 이 장치 속의 전극들은 저렴하고 풍부하게 존재하는 니켈과 철로 만들어진다.

“저렴한 재료인 니켈과 철을 사용해서, 우리는 1.5V의 단일 배터리로 상온에서 물을 분리할 수 있을 정도로 충분히 활성인 전기촉매를 만들 수 있었다”고 스탠포드 대학의 Hongjie Dai 교수가 말했다 “이것은 낮은 전압에서 물을 분리하기 위해서 귀금속 촉매를 사용하지 않는 최초의 연구이다. 이런 전압에서 물의 전기분해를 달성하기 위해서는 일반적으로 백금 또는 이리듐과 같은 고가의 금속이 필요하기 때문에, 이것은 매우 놀라운 연구결과”라고 Hongjie Dai 교수가 덧붙였다.

이 새로운 물 분리기는 수소를 제조할 뿐만 아니라 염소 가스와 수산화나트륨을 만드는데 사용될 수 있다고 이번 연구진은 말했다. 이 연구결과는 저널 Nature Communications에 8월 22일자로 게재되었다.

자동차 제조업체는 가솔린 엔진의 유망한 대안으로 수소 연료전지를 오랫동안 조사했다. 연료전지는 물 분해와 반대의 개념을 가지고 있다. 연료전지는 전기를 생성하기 위해서 공기 중의 산소 및 수소 가스를 결합시키는데, 이때 자동차는 동력을 얻게 된다. 유일한 부산물은 가솔린 연소와는 달리 물만을 남긴다. 가솔린 연소는 이산화탄소(온실 가스)를 방출한다.

올해 초에, 현대자동차는 남부 캘리포니아에서 연료 전지를 임대하기 시작했다. 도요타와 혼다는 2015년에 연료전지 자동차를 팔기 시작할 것이다. 이런 대부분의 자동차들은 큰 산업용 플랜트(매우 뜨거운 증기와 천연가스를 결합함)에서 제조된 수소 연료로 작동될 것이다. 이런 제조공정 중에는 부산물로서 이산화탄소가 배출되고 에너지가 많이 소비되는 프로세스를 가진다.

수소를 만들기 위해서 물을 분리하는 것은 화석연료를 필요로 하지 않고 어떤 온실 가스도 방출하지 않는다. 그러나 과학자들은 (산업용 규모로 작동할 수 있는) 촉매로 작동되는 물 분리기를 아직 개발하지 못했다. “높은 활성과 긴 내구성을 가진 저렴한 전극 촉매를 만들기 위해서 수십 년 동안에 지속적으로 연구가 진행되었다”고 이번 연구진은 말했다. “니켈 기반의 촉매가 백금만큼 효율적이라는 것을 발견했을 때, 우리는 매우 놀랐다”고 연구진은 덧붙였다.

이 연구결과는 이 연구에 참여한 Ming Gong에 의해서 도출되었다. “Ming은 순수한 니켈 금속 또는 순수한 니켈 산화물보다 더 활성을 가진 니켈-금속/니켈-산화물 구조를 발견했다”고 Dai가 말했다. “이 새로운 구조는 수소 전기촉매에 우호적이지만, 우리는 이것에 대한 메커니즘을 완벽하게 알지 못한다”고 Hongjie Dai 교수가 덧붙였다.

니켈/니켈 산화물 촉매는 물을 분리하는데 필요한 전압을 상당히 낮추는데, 이것은 전기를 생산하는 비용을 수십 억 달러 정도 절약할 수 있게 한다. 이번 연구진의 다음 단계의 목표는 장치의 내구성을 향상시키는 것이다. “전극은 상당히 안정적이지만, 그들은 시간이 지남에 따라서 천천히 붕괴된다”고 이번 연구진은 말했다. “전류 장치는 수 주 또는 수개월 동안에 작동될 수 있어야 한다. 이 목표는 나의 최근 결과를 기반으로 달성될 수 있을 것”이라고 연구진은 밝혔다.

이번 연구진은 태양 에너지로 생성된 전기로 작동되는 물 분리기를 개발할 계획을 가지고 있다. “수소는 자동차와 빌딩의 전력 공급, 그리드를 위한 재생 가능한 에너지의 저장에 이상적인 연료”라고 이번 연구진은 말했다. “우리는 매우 활성적이고 저렴한 촉매를 만들 수 있게 되어서 매우 기쁘다”고 연구진은 덧붙였다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr