 제로갭(Zero-gap) 기술 적용된 바이오 전해전지 셀 개발 성공 산업공정의 친환경 전환 앞당기는 탄소중립 유망 기술 한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 좌은진 박사 연구진이 폐기물 속 미생물로 수소를 생산하는 바이오 전해전지의 핵심 부품을 개선하여 기존 공정의 전력 손실 문제를 해결하고 공정 대형화의 가능성을 열었다. 독자적인 기술이 적용된 바이오 전해전지 셀은 기존 공정 대비 1.8배 이상의 전자를 생산하고, 수소 생산성은 1.2배 향상되었다.
자료제공 KIER
바이오가스는 유기성 폐기물의 미생물이 유기물을 분해하는 과정에서 생성되는 가스다. 이것을 고온에서 수증기와 반응시키거나 열분해하면 친환경 에너지원인 수소를 생산할 수 있어 탄소중립의 유망 기술로 주목받고 있다. 하지만 현재까지는 생산 과정에서 이산화탄소가 배출되고 있으며, 고온환경 유지를 위한 에너지 소모도 커서 상용화되지 못하고 있다.
환경과 비용 면에서 유리한 바이오 전해전지 최근 미국이나 유럽 등 해외 선도국에서는 바이오 전해전지를 활용한 수소 생산공정 연구에 골몰하고 있다. 바이오 전해전지란 미생물의 생물학적 대사작용과 전기화학적 반응을 결합하여 전기, 수소, 메탄 등의 에너지나 유용한 화학물질을 생산하는 시스템으로, 폐기물 처리와 에너지 생산을 동시에 할 수 있어 친환경 기술로 주목받고 있다.
바이오 전해전지에 폐기물과 전기를 공급하면 미생물이 유기물을 섭취할 때 발생하는 전자와 수소이온이 결합해 수소 기체가 생산되는 원리이다. 미생물 전기발효 과정에서 전기화학활성균을 활용하여 유기성 폐자원으로부터 전기를 생산하고, 이 전기를 보조전력으로 사용하여 전기화학적으로 분해하여 고순도 수소를 생산하는 것이다.
바이오 전해전지 공정은 기존 공정과 달리 이산화탄소 배출이 적고 저온 환경에서도 작동할 수 있어 환경과 비용 면에서 유리하다. 그러나 공정의 대형화가 진행될수록 전기화학 반응 물질의 이동 경로가 늘어나고 저항이 증가하기 때문에 전력 손실이 커진다는 한계가 있다.
새로운 구조의 제로갭 기술로 대형화 기대 연구진은 기존 바이오 전해전지의 전력 손실을 해결하기 위해 전지의 기본 단위인 셀(cell)을 독자적인 방식으로 개선하고 수소 생산공정에 적용했다. 개발된 셀이 적용된 공정은 기존 공정에 바이오 전해전지를 이용한 공정에 비해 1.2배 높은 수소 생산성과 1.8배 이상 높은 전자 생산성을 보였다.
이번 실험에 사용된 바이오 전해전지 셀은 크기 515×620㎟의 파일럿 스케일로, 연구진이 독자 개발한 새로운 구조의 제로갭(Zero-gap) 기술이 적용되었다. 제로갭은 전지를 구성하는 전극과 분리막의 간격을 최소화해 전기 저항을 줄이고 반응 효율을 극대화하기 위해 자주 활용되는 방식이다. 셀 내부에는 다공성 3D 구조 미생물 전극으로 이루어져 있으며, 세그먼트형 병렬구조로 구성되었다.
기존의 제로갭 구조는 단순히 전극과 막을 샌드위치처럼 쌓아 밀착시키는 형태로 구성되어 있다. 이러한 형태로 인해 공정의 대형화 시 압력의 불균형이 일어나 전극과 막 사이에 틈이 발생하게 되는데, 이는 부분적인 효율 저하를 일으키고 저항이 다시 증가하는 원인이 된다.
연구진이 개발한 제로갭 구조에는 원통형의 뚜껑이 있는데, 이 뚜껑이 닫히면서 발생하는 압력이 전극 뒷면을 균일하게 밀어내 전극과 분리막을 완전히 밀착시킬 수 있다. 이를 적용하면 전극과 분리막 간의 접촉 저항을 최소화하여 전기저항 감소와 전류 효율 향상이 가능하고, 간단히 뚜껑만 열면 고장이 발생한 전극을 수리할 수 있어 유지·보수도 용이하다.
이는 공정의 대형화 시에도 동일하게 적용 가능하다. 기존처럼 공정을 중단하고 분해한 뒤 수리하는 방식에 비해 장기 연속 운전에 더욱 유리하기 때문에, 바이오 전해전지의 상용화에 주요한 역할을 수행할 것으로 기대를 모으고 있다.
 탄소중립 및 수소 사회에도 이바지 기대 새로 개발된 바이오 전지전해 셀을 수소 생산공정에 적용한 결과, 연구진은 기존 공정 대비 1.8배 많은 전자를 생산하고 최종적으로 생산되는 수소의 양을 1.2배 늘리는데 성공했다. 대형화의 전단계인 파일럿 규모 실험에서도 동일한 성능을 유지하며 TRL 5 이상의 기술 수준을 확보했다. 이를 통해 한국산업기술시험원의 공인인증을 획득하고 효과성을 입증했다.
연구책임자인 좌은진 박사는 “이번 기술 개발은 국내 유기성 폐자원 처리의 환경적, 경제적 문제를 해결할 뿐만 아니라, 청정 에너지원인 수소를 고효율로 생산할 수 있는 중요한 전진”이라고 의미를 전했다. 또 “개발된 고성능 바이오 전해전지 셀이 상용화되면 탄소중립과 수소 사회로의 전환에 크게 이바지할 수 있을 것”이라고 기대했다.
해당 기술은 향후 산업 폐수, 생활 폐수, 식음료 폐수, 농업 폐수 등의 처리 및 자원 회수 분야에 활용 가능할 것으로 전망된다. 또한 저비용·고효율의 바이오수소 생산이 가능하므로 수소 연료전지, 수소차, 수소 충전소 등의 신재생에너지 시장에도 적용할 수 있다. 뿐만 아니라, 기존의 화석연료 기반 공정에서 벗어나, 폐수를 활용한 탄소중립적인 에너지 생산공정으로 산업 공정의 친환경 전환을 촉진할 수 있을 것으로 기대를 모은다.
한편, 이번 연구성과는 한국연구재단의 미래수소원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 환경과학 분야의 세계적 권위지인 『Science of The Total Environment』에 게재되었다.
<Energy News>
http://www.energy.co.kr
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