- 알카리 금속 소모되는 기존 기술 한계 극복·스마트 수소 스테이션 등 적용… JACS 골드 게재

바닷물로 수소를 저장하는 기술이 개발됐다. 수소를 고압에서 압축하거나 저온 액화시키는 기존 저장기술과 달리 상온·상압에서 수소를 저장하고 추출할 수 있는 기술이다. 수소 시대를 앞당길 새로운 수소 저장기술로 주목받고 있다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 연구진들이 해수전지 기반 수소저장시스템을 개발했다. 해수의 염분 성분인 나트륨(소듐)과 물을 반응시켜 수소를 뽑아내는 시스템이다. 

기존 알칼리 금속 수소저장기술은 한 번 반응한 금속의 재사용이 어려운 반면, 이 시스템은 해수전지가 지속적으로 나트륨을 ‘재생’(환원)시켜 사용, 가능하다. 수소를 생산·저장할 수 있는 1석 2조의 EES(에너지저장) 시스템이다.

* 알칼리 금속: 주기율표 1족에 해당하는 원소. 나트륨(소듐), 리튬이 대표적이다.

해수전지 수소저장시스템 모식도

온-사이트, 온-보드 수소 저장을 위한 해수전지 수소저장시스템이다. 본 시스템은 알칼리 금속을 음극으로, 집전장치를 양극으로 하되, NASICON(나트륨 이온만을 통과시키는 분리막)을 중심으로 분리되어 있다. 충전 시 해수전지 음극에서 나트륨 이온이 환원돼 나트륨 금속 형태로 저장되고, 방전 시 나트륨 금속이 나트륨 이온이 되면서 해수로 이동함과 동시에 양극에서 수소가 생성된다. 보라색 하늘색 연결선은 각각 전기 에너지와 수소가 해수전지 수소저장시스템에서 어떤 식으로 생성·운반되는지를 보여주는 인프라 구축 설계 선이다.

현행 수소 저장은 350~700기압(atm) 고압 압축이나 영하 253도의 초저온 액화를 기반으로 해 안전 문제와 더불어 에너지 비용이 많이 들다. 차세대 기술인 알칼리 금속 수소저장기술은 미국 에너지부(DoE)가 제시한 수소 저장체 기준(단위 무게, 부피당 수소 저장비 등)을 만족하지만, 화학 반응 중에 알칼리 금속이 지속적으로 소모된다는 문제가 있었다.

개발된 시스템의 경우, 나트륨을 계속 재사용할 수 있다. 해수전지 충전 중에 알칼리 금속이 재생(나트륨 이온 환원)되고, 전기를 뽑아 쓰는 방전 중에 나트륨이 물과 반응하면서 수소가 추출되는 원리다.

상용화 가능성도 입증했다. 실제 시스템 작동 환경처럼 산소에 노출된 환경에서 99.1%의 패러데이 효율을 보였으며, 해수전지 크기를 실험실 수준의 약 40배 이상(70㎠)으로 키운 시스템에서도 94.7%의 패러데이 효율을 기록했다.

* 패러데이 효율: 총 사용된 전기 에너지 중 원하는 반응(본 연구는 수소)에 쓰인 전기 에너지의 비율이다.

한편, 해수전지는 바닷물 속 나트륨 이온을 산화·환원시켜 전기를 저장하고 뽑아 쓰는 장치다. 일반적인 이차전지(배터리)는 나트륨 대신 리튬을 쓴다.

이번 연구는 에너지화학공학과 4개 그룹 연구진들의 집단 연구 결과물이다. 장지욱 교수(수소 생산·저장 전문), 강석주 교수(가스 분석 전문), 서동화 교수(이론 ·해석 전문), 그리고 김영식·황수민 교수(전지 전문가)가 공동으로 주도했다. 에너지화학공학과 판카즈 샤르마(Pankaj Sharma) UNIST 박사, 한진협 UNIST 박사, 박재현 UNIST 석박통합과정 대학원생, 김동연 UNIST 박사가 공동 1 저자로 참여하였다.

장지욱 교수는 “무한한 자원인 바닷물을 이용하는 해수전지 시스템을 활용해 에너지 저장·수송과 수소 저장·생산이 동시에 가능한 신개념 수소저장기술을 선보였다”라며, “이 시스템은 수소 생산과 충전을 동시에 할 수 있는 스마트 스테이션 등 수소 생산·저장·운송이 필요한 다양한 분야에 활용할 수 있다”고 설명했다.

울산시와 UNIST, 기후변화대응기초원천기술개발 과제 등의 지원을 받아 이뤄진 이번 연구 성과는 저명 국제 학술지인 ‘미국화학회 골드지(JACS Au)’에 11월 3일 자로 공개됐다.

* 논문명: Alkali-Metal-Mediated Reversible Chemical Hydrogen Storage Using Seawater

자료문의: 에너지화학공학과: 장지욱 교수(052)217-3027