팽창흑연 사용해 20% 이상 더 많은 전기 생산

최근 전 세계적으로 탄소중립이 주요 화두로 떠오르며 친환경 에너지가 주목받고 있다. 이런 가운데 최근 한양대 에너지공학과 송태섭 교수팀이 에너지 생산효율을 높이고자 염분차 발전기술 중 하나인 ‘흐름전극 기반 축전식 혼합 염분차 발전 기술의 메커니즘’을 밝혔다고, 한양대가 26일 밝혔다. 해수와 담수의 염분차를 이용해 에너지를 생산하는 ‘염분차 발전기술’도 차세대 신재생 에너지원으로 평가받는다.

염분차 발전기술은 크게 △이온의 이동을 이용하는 역전기투석(Reverse Electrodialysis, RED) △삼투압을 활용하는 압력지연삼투법(Pressured Retarded Osmosis, PRO) △이온의 흡·탈착을 이용하는 축전식 혼합 (Capacitive Mixing, CapMix) 등이 있다. 기존에는 RED와 PRO 방식이 주로 사용됐지만, RED와 PRO 방식은 환경오염 유발해 최근에는 CapMix 방식의 연구가 주로 이뤄지고 있다.

CapMix 방식은 친환경적이고 전처리 및 유지보수 비용이 적다는 장점은 가지나 출력밀도가 일정하지 않아 상용화에 어렵다는 단점이 있다. 이런 문제점을 개선하고자 탄소기반 현탁액(Carbon Suspension)을 흐름전극으로 사용하는 ‘흐름전극 기반 축전식혼합 염분차 발전(Flow-electrode Capacitive Mixing, 이하 F-CapMix)’이 새롭게 등장했다.

F-CapMix는 해수 내의 Na+ 양이온과 Cl- 음이온을 흡착시키기 위해 다공성 탄소소재를 사용하며, 전력생산량을 높이고자 비표면적(Surface Area)이 매우 큰 활성탄(Activated Carbon)을 흐름전극 소재로 사용한다. 하지만 비표면적이 클 경우 전기전도도가 낮고, 흐름전극의 점도를 증가시켜 발전효율을 저하시킨다는 문제점이 있다.

송 교수팀은 발전효율을 높이기 위해 탄소소재와 흐름전극의 인자에 대한 규명이 필요하다고 판단, 다양한 탄소소재에 대한 탐구를 진행했다.

송 교수팀은 연구에서 다양한 종류의 탄소소재를 탐구해 F-CapMix에서는 탄소소재의 비표면적이 발전성능의 주요 인자가 아니며, 탄소소재가 갖는 전기전도도가 크고 흐름전극 내 유동학적 거동이 유사고체 거동(Solid-like Behavior)을 보일 때 해수 내 이온의 흡착량이 향상되고 전하를 띈 입자들의 전기적 흐름(Charge Percolation)이 활성화되는 것을 증명했다.

또 비표면적이 활성탄 대비 100배 이상 작은 팽창흑연을 흐름전극 소재로 적용하였을 때 활성탄(약 0.4 W/m2)을 흐름전극 소재로 적용하였을 때보다 높은 일정한 전력(약 0.5 W/m2)을 생산할 수 있음을 밝혔다.

이번 연구는 흐름전극 기반 축전식혼합 염분차 발전에서 최초로 활성탄 이외의 탄소소재로 팽창흑연을 사용하여, 발전효율에 영향을 미치는 원인에 대한 규명 및 소재, 전극 특성과 발전효율의 인과관계를 분석했다는 점에서 의의를 가진다. 이에 따라, 향후 환경 공학자 및 전기화학 공학자들이 흐름전극 염분차 발전 기술의 상용화를 위해서 필요한 흐름전극 소재와 흐름전극 자체의 주요 인자에 대한 가이드라인을 제시했다는 평가를 받는다.

한국전력공사의 기초연구사업 (과제번호: R20XO02-2)의 지원을 받아 진행된 이번 연구는 미국화학회가 발간하는 저명 학술지 「ACS Sustainable Chemistry & Engineering(IF 8.198)」에 9월 온라인 게재됐고 학술지 표지 논문(Journal Cover)으로도 선정됐다.