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수소경제 상용화의 핵심 병목으로 꼽혀온 차세대 연료전지의 '공기극 블랙박스'가 처음으로 열렸다. 수소 연료전지의 효율을 좌우하는 공기극 내부 반응이 소재에 따라 전혀 다른 경로로 진행된다는 사실이 처음 확인되면서, 고효율 수소차와 청정수소 생산용 연료전지 개발의 설계 방향이 한층 구체화됐다.

지호일 한국과학기술연구원(KIST) 수소에너지소재연구단 박사 연구팀은 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)의 공기극 산소환원반응 메커니즘을 규명할 수 있는 새로운 분석 프로토콜을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 에너지·환경 분야 국제학술지 'Energy & Environmental Science(EES)' 최신 호에 게재됐다.

PCFC는 500℃ 이하의 비교적 낮은 온도에서 작동하는 차세대 수소 연료전지다. 기존 고체산화물 연료전지보다 시스템 제작 비용을 낮추고 수명을 늘릴 수 있어 수소차와 분산전원, 청정수소 생산 분야의 유력 후보로 꼽힌다. 다만 공기극에서 산소·전자·수소 이온(프로톤)이 동시에 얽혀 반응하는 구조 탓에, 효율 저하의 정확한 원인을 찾기 어렵다는 한계가 있었다.

기존 연구는 수백 가지 반응 경로 가운데 하나를 연구자가 먼저 가정한 뒤 이를 검증하는 방식이어서 초기 가정이 틀리면 결론 전체가 흔들릴 수밖에 없었다.

연구팀은 이 한계를 넘어 경로를 미리 상정하지 않고 정밀 실험 데이터와 소재 고유의 결함 화학 특성을 결합하는 분석 프로토콜을 고안했다. 먼저 전체 반응 속도를 좌우하는 '속도결정단계'를 특정한 뒤 해당 단계에 맞춰 실제 반응 경로를 역으로 추적하는 방식이다.

이 프로토콜을 대표적인 두 공기극 소재에 적용한 결과, 동일한 PCFC라도 소재에 따라 산소환원반응 경로가 전혀 다르게 진행된다는 사실을 세계 최초로 확인했다. 특히 수증기 농도가 높아질수록 한 소재는 저항이 크게 줄었지만 다른 소재는 거의 변화가 없었고, 이 차이가 서로 다른 반응 메커니즘을 직접 입증했다.

이번 성과는 단순한 메커니즘 규명을 넘어 차세대 연료전지 소재 설계의 기준점을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 어떤 결함 구조와 표면 특성이 고성능 공기극에 유리한지를 구체적으로 제시하면서, 고효율 PCFC 상용화의 방향성을 제시했기 때문이다.

PCFC가 고도화되면 수소차뿐 아니라 암모니아, 액상유기수소운반체(LOHC) 같은 수소 저장체를 직접 연료로 활용하는 시스템으로 확장될 수 있다. 역방향 운전을 통해 태양광·풍력·원자력과 연계한 대규모 청정수소 생산 장치로도 활용 가능성이 크다.

지호일 KIST 박사는 "수소 연료전지가 왜 낮은 효율을 보이는지 그 원인을 근본적으로 밝혀낸 연구"라며 "친환경 수소경제 실현에 필수적인 고성능 연료전지 개발의 중요한 토대가 될 것"이라고 말했다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr

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