차세대 프로톤 세라믹 연료전지 ‘블랙박스’ 열었다

- 공기극 소재 특성에 따라 반응 경로가 달라진다는 사실 최초 확인 

- 새로운 분석 프로토콜로 고성능 공기극 개발, 고효율 연료전지 상용화 기여

프로톤 세라믹 연료전지의 공기극 반응. (자료제공: KIST)

프로톤 세라믹 연료전지 공기극에서 일어날 수 있는 반응 경로 모식도. (자료제공: KIST)

정부가 2030년까지 신차의 40%를 전기·수소차로 채우는 ‘에너지 대전환’을 선언한 가운데, 이를 실현하는 핵심 열쇠 중 하나로 수소 연료전지의 성능 향상이 꼽힌다. 

그중 ‘프로톤 세라믹 연료전지(Protonic Ceramic Fuel Cell, PCFC)’는 기존 전지보다 낮은 500℃ 이하에서 작동하여, 시스템 제작 비용을 낮추고 전지 수명을 획기적으로 늘릴 수 있어 차세대 에너지 기술로 주목받고 있다. 

그러나 전지의 핵심 부위인 공기극에서 산소·전자·수소 이온(프로톤)이 동시에 반응하는 과정이 워낙 복잡해, 효율을 떨어뜨리는 정확한 원인을 오랫동안 찾아내기 어려웠다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록)은 지호일 수소에너지소재연구단 박사팀이 그동안 베일에 가려져 있던 ‘프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)’ 공기극(산소가 공급돼 물을 생성하는 전극)의 산소환원반응 메커니즘을 규명했다고 4월 8일 밝혔다.

기존 연구들은 수백 가지에 달하는 가능한 반응 경로 중 하나를 연구자가 경험에 의존해 ‘가정’한 뒤 분석해 왔는데, 처음 가정이 어긋나면 결론 자체가 뒤집히는 근본적인 한계를 지니고 있었다. 

연구팀은 이를 정면으로 돌파해, 경로를 미리 가정하지 않고 정밀 실험 데이터와 소재 고유의 결함 화학 특성을 결합하는 새로운 분석 프로토콜을 개발했다. 전체 반응 속도를 결정하는 ‘속도결정단계’를 실험으로 먼저 특정한 뒤, 그에 맞는 반응 경로를 역추적하는 방식이다.

이 방법을 대표적인 두 공기극 소재에 적용하자, 두 소재의 반응이 서로 전혀 다른 경로로 진행된다는 사실이 세계 최초로 확인됐다. 실험에서 수증기가 많아질수록 한 소재는 저항이 크게 낮아진 반면, 다른 소재는 거의 변화가 없었는데, 이 대조적인 반응이 두 소재의 경로 차이를 직접 증명했다. 이로써 연구팀은 메커니즘 규명을 넘어, 고성능 공기극 소재를 어떻게 개발해야 하는지에 대한 구체적인 설계 방향까지 제시할 수 있었다.

이번 연구를 토대로 고효율 PCFC가 실현되면 활용 범위는 수소를 훌쩍 넘어선다. 암모니아나 액상유기수소운반체(LOHC) 같은 수소저장체를 직접 연료로 활용하거나, 전지를 역방향으로 운전해 태양광·풍력·원자력과 연계한 대규모 청정수소 생산에도 활용할 수 있다. 이번에 개발한 분석 프로토콜 역시 PCFC를 넘어 다양한 전기화학 소자에 폭넓게 적용할 수 있어 파급효과도 클 것으로 기대된다.

지호일 KIST 박사는 “본 연구는 수소 연료전지가 왜 효율이 낮은지 그 원인을 근본적으로 밝혀낸 성과”라며 “친환경 수소 경제를 실현하기 위해 필수적인 고성능 수소 연료전지 개발의 중요한 토대가 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 한국연구재단 무탄소에너지핵심기술개발사업과 국가과학기술연구회 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science’  최신 호에 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]