Renewableenergymagazine에 따르면 콜롬비아 공학대학의 화학공학 조교수인 다니엘 에스포시토는 태양광발전으로 얻은 전기를 저장할 수 있는 수소연료로 전환하는 방법인 수전해를 연구해왔다.

수소는 현재 나사의 우주 프로그램에서 로켓을 추진하는데 사용되는 청정연료로 지속 가능한 미래 에너지로서의 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다. 광발전으로 얻어낸 전기를 이용한 수전해는 이산화탄소 같은 물질의 배출 없이 수소를 생산할 수 있다.

에스포시토 연구팀은 현재 독립적인 부동 플랫폼의 형태로 작동할 수 있는 새로운 광발전-전원의 전해장치를 개발했다. 이 광발전-전해장치는 해저에서 석유를 추출하는 대신 태양광과 물에서 수소연료를 생산한다는 것 외에는 심해 석유채굴장치와 유사한 ‘태양연료 채집장치’이다.

이번 연구논문은 최근 ‘부력-동력 생산 분리를 기반으로 한 유동 비막식 광발전-전해장치’라는 제목으로 수소에너지 국제학술지에 게재됐다.

연구원들의 핵심 혁신사항은 수전해를 통해 생산되는 수소 및 산소기체의 분리방법이다. 콜롬비아 공학 장치는 물 속 버블의 부력을 이용해 기체를 분리‧채집할 수 있는 새로운 전극 구성을 필요로 한다. 이러한 설계는 전해질을 능동적으로 주입하지 않고도 효율적인 고순도 생산 운영을 가능하게 한다. 부력으로 유도된 분리 개념에 기초한 단순한 전해장치 구조는 수소를 99%의 높은 순도로 생산한다.

에스포시토는 “광발전-전해장치 구조의 단순함(어떠한 막이나 펌프가 없는 점)이 우리의 디자인을 해수전해에 적용하는데 매력적”이라며 “이는 막이 설치된 타 유사기능장치에 비해 저비용‧고내구성의 가능성을 열어주었다”고 말했다. 

그는 이어 “우리는 이 프로토타입이 실현 가능한 비막식 부동 광발전-전해장치 시스템 최초의 시연이며 대단위 ‘태양연료 채집장치’가 시골지역을 위한 깨끗한 물이나 장치를 설치하기 위한 공간이 필요하지 않고 풍부한 태양광과 해수로부터 대량의 수소를 생산해낼 수 있을 것이라고 믿고 있다”고 전했다.

에스포시토와 함께 연구하고 있는 논문의 제1저자인 잭 데이비스(Jack Davis) 박사과정은 “막 없이 전해를 할 수 있는 장치를 안전하게 시연할 수 있다는 것은 해수전해를 가능케 하는 데 한 발 더 나아가게끔 우리를 이끌어 주는 것”이라고 말했다.

에스포시토 연구팀이 개발한 광발전-전해장치 작동의 핵심은 한 쪽에만 촉매로 코팅한 메쉬형 유로 전극이다. 이러한 비대칭의 전극은 촉매가 증착된 전극 표면에서만 수소와 산소기체가 생성되도록 한다. 수소와 산소의 버블이 충분히 커지면 부력에 의해 전극표면에서 떨어지고 떠올라 위쪽의 채집실에서 분리된다.

연구팀은 실제 해수에서 더 효과적으로 작동할 수 있는 설계를 구상하고 있으며, 이는 연구환경에서 사용된 이상적인 전해질에 비해 더욱 어려운 도전이 될 수 있다. 또한 더 크고 확장된 시스템을 구축하는데 사용할 수 있는 모듈형 디자인을 개발할 계획이다.

에스포시토는 “우리는 사용 가능한 태양에너지의 양이 엄청나기 때문에 태양연료 기술의 잠재력에 대한 기대가 크다”며 “우리의 도전은 태양광을 태양이 비추지 않는 시간에도 저장해 놓을 수 있는 유용한 형태의 에너지로 전환하는 확장성 있고 경제적인 기술을 찾아내는 것”이라고 말했다.