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- 직접 공기 전기분해는 공기에서 수증기를 흡수하고 전기화학적으로 수소와 산소로 분해
- 대부분의 대륙에서 태양열 및 풍력 에너지의 잠재력은 물이 부족한 지역에서 가장 높아
- 직접 공기 전기분해 모듈(DAE)은 습도가 4%에 불과한 건조한 조건에서도 작동
- 12일 간의 테스트 동안 수소에 대해 약 95%의 패러데이 효율 달성, 90% 이상 순도

공기 중 녹색 수소
새로운 유형의 전기 분해 모듈은 수분을 사용해 물을 분할한다.

사막에서도 물 분해:
연구원들은 액체 상태의 물 없이 공기 중의 습도만으로 녹색 수소를 생성할 수 있는 전기분해 시스템을 개발했다. 이 직접적인 공기 전기분해는 공기에서 수증기를 흡수하고 전기화학적으로 수소와 산소로 분해한다. 모듈은 태양 전지 또는 풍력 터빈에서 직접 이를 위한 전기를 받는다. 실제 테스트에서 이 시스템은 자급자족하고 효율적이며 매우 강력한 것으로 판명됐다. 

▲ 직접 공기 전기 분해의 기능 다이어그램. © Guo et al./ Nature Communications, CC-by 4

녹색 수소는 에너지 전환의 중요한 구성 요소다. 연료 및 원자재로 사용할 수 있지만 풍력 및 태양광 발전의 초과 전기를 위한 화학 에너지 저장 장치로도 사용된다. 이상적으로, 이를 위한 가스는 태양열 또는 풍력을 사용해 물을 전기화학적으로 분해하는 전기분해를 통해 얻는다. 하지만 이를 위해서는 액체 상태의 물이 필요하다. 가장 이상적인 것은 순수한 담수이지만 해수에 적합한 시스템도 있다.

수원水源으로서의 습도

한 지역에 태양열이나 풍력 에너지는 많지만 액체 상태의 물이 없다면 어떻게 될까요? "대부분의 대륙에서 태양열 및 풍력 에너지의 잠재력은 물이 부족한 지역에서 가장 높다"고 멜버른 대학의 Jining Guo와 그의 동료가 말했다. 액체 물을 사용한 전기분해는 이 물 부족을 악화시키고 그곳에 사는 사람들의 생계를 박탈할 것이다. 따라서 전력 대 가스 잠재력의 이전 지도에서는 ​​이러한 영역을 제외했다.

▲ 물 위험 및 태양 에너지 잠재력 (출처: 관련논문 fig 1. Hydrogen Production from the air)

그러나 이러한 건조한 지역에서도 지금까지 거의 사용되지 않은 수자원이 있다. 바로 공기다. "사헬 지역의 사막에서도 평균 상대 습도는 약 20%이고, 호주 중부 사막의 울룰루는 21%다"고 연구원들은 말했다. 따라서 그들은 대기 수분을 사용해 액체 물 대신 물을 분리할 수 있는 전기분해 시스템을 개발했다.

"이 직접 공기 전기분해 모듈(DAE)은 습도가 4%에 불과한 건조한 조건에서도 작동할 수 있으며 환경에 미치는 영향을 최소화하면서 녹색 수소를 생산할 수 있다"고 과학자들은 말했다.

핵심 성분인 흡습성 전해질

특히, 새로운 전기분해 시스템은 2개의 격자 모양의 백금 전극으로 구성되며, 각 전극은 가스 수집 용기에 연결된다. 전극판 사이에는 액체 전해질에 적신 두꺼운 해면질의 유리솜 블록이 있다. 전해질은 물을 끌어들이는 효과가 있으며 공기에서 수증기를 흡수할 수 있다는 것이 비결이다. 또한 물 분해에 필요한 수분을 제공한다.

테스트에서 팀은 황산(H2SO4)을 흡수제 전해질로 사용했다. 더 나은 흡수를 나타내는 수산화칼륨(KOH)도 생각할 수 있다. 그러나 황산은 공기 중의 이산화탄소와 반응하기 때문에 Guo와 그의 동료들이 설명하는 것처럼 이것은 미리 걸러내야 한다. 시스템에 직접 연결된 태양광 모듈은 전기분해에 필요한 전기를 공급하지만 풍력 터빈도 가능하다.

12일 동안 야외 모의테스트

멜버른의 연구원들은 서로 겹쳐진 5개의 테스트 모듈과 시스템에 연결된 태양 전지로 구성된 프로토타입을 사용해 직접 공기 전기분해가 얼마나 잘 작동하는지 조사했다. 이 DAE 타워는 12일 동안 야외에 설치됐으며 20~50%의 대기 온도에서 테스트됐다. 한편 연구팀은 일조시간, 태양광발전량, 수소생산량 등을 기록했다.

결과:
하루 종일 맑은 날 DAE 모듈은 태양 전지에서 충분한 전기를 공급받아 시간당 168밀리리터의 수소를 생산할 수 있었다. 이는 1.49리터가 모이는 날 계산된 것이다. "1제곱미터의 음극 면적으로 이것은 하루에 745리터의 수소에 해당할 것"이라고 Guo와 그의 팀은 보고했다. 반쯤 흐린 날에도 DAE 프로토타입은 현저히 낮은 전력 공급에도 불구하고 여전히 1.2리터의 수소를 생산했다.

팀에 따르면 전반적으로 이 시스템은 12일 간의 테스트 동안 수소에 대해 약 95%의 패러데이 효율을 달성했다. 이 전기분해 시스템으로 생성된 가스도 가스 크로마토그래피 측정에서 알 수 있듯이 99% 이상의 순도를 보였다.

▲ DAE 시스템의 프로토타입 및 하루의 실제 테스트에서 얻은 샘플 데이터. a. 설치 공간을 최소화하고 확장 가능한 DAE 모듈을 특징으로 하는 설계된 수소 생성 타워의 사진. b 서로 다른 기상 조건에서 2일 동안 해당 대기 습도 및 온도에서 시간당 수소 발생률 및 패러데이 효율. 소스 데이터는 소스 데이터 파일로 제공된다. © Guo et al./ Nature Communications, CC-by 4.0 (출처: 관련논문 Hydrogen production from the air / Published: 06 September 2022)

태양열과 풍력 에너지를 결합할 수 있다.

"따라서 우리는 다공성 매질에서 흡습성 전해질을 수분 흡수제로 사용하여 공기로부터 고순도 수소를 생성할 수 있는 방법을 시연했다"고 과학자들은 말했다. 가스 순도와 효율성이 결합된 새로운 DAE 시스템은 증기를 기반으로 한 이전의 전기분해 또는 광촉매 물 분해 방법보다 우수하다.

또한 긍정적인 점은 DAE 시스템은 자율적으로 작동하며 원칙적으로 자체 장치에 맡길 수 있다. Guo와 그의 팀은 "시제품을 유지 관리 없이 8개월 동안 야외에 방치한 후에도 수소 패러데이 효율은 여전히 ​​약 90%였다"고 말했다. 추가적인 실제 테스트에서 그들은 DAE 모듈을 태양 전지 대신 소형 풍력 터빈과 결합했으며 수소 생산도 함께 작동했다.

녹색 수소 생산의 더 많은 가능성

연구원들에 따르면, 직접 공기 전기분해는 공기 중의 습도에서 직접 액체 물과 독립적으로 녹색 수소를 생성할 수 있는 새로운 가능성을 열어준다. 기후 챔버의 테스트에서 황산에 의한 수분 흡수는 4%의 최소 습도로 감소했다. 따라서 이 시스템은 태양열과 풍력이 풍부한 곳이면 어디에서나 사용할 수 있다.

Guo와 그의 팀은 "이러한 DAE 농장은 환경과 지역 습도에 대한 간섭을 최소화하면서 건조하고 반건조한 지역에서도 풍부한 수소를 생성할 수 있는 잠재력을 가지고 있다"고 말했다. DAE 시스템은 모듈식이므로 필요에 따라 확장 가능하며 다양한 재생 가능한 전원에 연결할 수 있다.
(Nature communications, 2022, doi: 10.1038/s41467-022-32652-y)
출처: 네이처 커뮤니케이션즈

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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