왼쪽부터 김슬찬 KIST 인턴 연구원, 윤도근 학생 연구원, 지호일 책임연구원. KIST 제공


수소 연료전지의 효율을 떨어뜨리는 원인이 새로운 분석법으로 세계 최초로 규명됐다.
한국과학기술연구원(KIST)은 지호일 수소에너지소재연구단 책임연구원 연구팀이 차세대 수소 연료전지인 '프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)'에서 효율을 좌우하는 핵심 반응의 작동 원리를 규명했다고 8일 밝혔다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '에너지 앤드 인바이런멘털 사이언스'에 지난달 10일 게재됐다.
수소 연료전지는 수소와 산소가 모바일바다이야기하는법 만나 전기와 물을 만드는 장치다. 산소가 들어오는 쪽 전극인 '공기극'에서는 산소·전자·수소 이온 세 가지가 한꺼번에 뒤섞여 반응한다. 가능한 반응 경로가 수백 갈래에 달해 정확히 어떤 순서로 반응이 진행되고 어느 단계에서 속도가 느려지는지 알기 어렵다. 기존에는 연구자가 경로를 추측해 가정한 뒤 분석했다. 첫 가정이 틀리면 결론 자체가 뒤집혀 분석이 어려 골드몽사이트 웠다.
연구팀은 경로를 미리 가정하지 않는 새로운 분석법을 고안했다. 먼저 정밀 실험으로 전체 반응에서 가장 느린 단계인 병목 지점을 찾아낸 뒤 결과에 맞는 반응 경로를 거꾸로 추적하는 방식을 사용했다. 범인을 먼저 특정하고 나서 범행 경로를 재구성하는 수사 방식과 비슷하다.
분석법을 대표적인 두 가지 공기극 소재에 적용 온라인릴게임 하자 두 소재의 반응이 전혀 다른 경로로 진행된다는 사실이 세계 최초로 확인됐다. 수증기를 늘렸을 때 한 소재는 전기 저항이 크게 떨어진 반면 다른 소재는 거의 변화가 없었다. 대조적인 결과가 두 소재의 경로 차이를 직접 증명했다. 
연구팀은 반응 원리 규명에서 한 걸음 더 나아갔다. 두 소재의 반응 경로가 다른 이유를 소재 내부의 결함 손오공릴게임 구조 차이에서 찾아내 어떤 결함 특성을 가진 소재를 만들어야 공기극 반응이 빨라지는지 구체적인 설계 기준을 제시했다. 앞으로 새 공기극 소재를 개발할 때 시행착오를 줄이고 목표를 정확히 잡을 수 있는 이정표를 마련했다.
이번 연구로 효율적이고 활용 범위도 넓은 연료전지를 만들 수 있는 길이 열렸다. 수소를 직접 쓰는 것은 물론 운반이 쉬운 모바일릴게임 암모니아를 연료로 바로 넣어 전기를 만들 수도 있다. 전지에 전기를 넣어 거꾸로 돌리면 물에서 수소를 뽑아내는 장치로도 쓸 수 있어 태양광이나 풍력으로 만든 전기를 수소로 저장하는 데 활용할 수 있다. 
이번에 개발한 분석법도 연료전지뿐 아니라 배터리 등 다른 전기화학 소자에 폭넓게 적용할 수 있어 파급 효과가 클 것으로 기대된다.
지호일 책임연구원는 "수소 연료전지의 효율이 왜 낮은지 그 원인을 근본적으로 밝혀낸 성과"라며 "친환경 수소 경제를 실현하기 위해 필수적인 고성능 연료전지 개발의 중요한 토대가 될 것"이라고 말했다.
<참고>  doi: 10.1039/d5ee06170a
[임정우 기자 jjwl@donga.com]