한국과학기술연구원(KIST)은 수소에너지소재연구단 지호일 책임연구원 연구팀이 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC) 공기극의 산소환원 반응 원리를 규명하는 데 성공했다고 8일 밝혔다.

수소연료전지 중 하나인 PCFC는 기존 전지보다 낮은 500도 이하에서 작동해 제작 비용 절감과 전지 수명 향상이 가능한 차세대 기술로 주목받고 있다.

하지만 전지에서 산소가 공급돼 물을 생성하는 전극인 공기극의 산소·전자·수소 이온 동시 반응 과정이 복잡해 효율이 떨어지는 원인을 찾기 어려웠다.

기존 연구들은 수백 가지에 달하는 가능한 반응 경로 중 하나를 가정해 분석해 왔는데, 연구팀은 대신 정밀 실험 데이터와 소재 고유의 결함화학 특성을 결합하는 새로운 분석 프로토콜을 개발했다.

전체 반응 속도를 결정하는 '속도 결정 단계'를 실험으로 먼저 특정하고 그에 맞는 반응 경로를 역추적하는 방식이라고 연구팀은 소개했다.

이를 대표적 공기극 소재 2개에 적용하자 두 소재 반응이 서로 전혀 다른 경로로 진행된다는 사실을 연구팀은 밝혀냈다.

실험에서 수증기가 많아질수록 한 소재는 저항이 크게 낮아졌지만, 다른 소재는 거의 변화가 없었던 것을 통해 소재의 반응 경로 차이를 증명한 것이다.

지 책임연구원은 "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 말했다.

이번 연구결과는 지난달 10일 국제학술지 '에너지 및 환경과학'에 실렸다.