김정현 교수팀, IT-SOFC 공기극 표면개질 기술 개발…'J. Power Sources' 게재
수소 연료전지 효율 저해 요소 제거… 한밭대, 산소환원반응 촉진 성공
코발트 질산염 함침으로 용출 온도 200도 낮춰…전하전달 저항 획기적 경감
차세대 발전장치로 꼽히는 중·저온형 고체산화물 연료전지(IT-SOFC)의 최대 약점으로 지적되던 전력 생산 효율 저하 문제를 극복할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.
국립한밭대학교는 김정현 신소재공학과 교수 연구팀이 비화학양론 층상 페로브스카이트 고체산화물 연료전지 공기극에 코발트(Co) 질산염 함침 기술을 적용, '코발트 용출'(Co exsolution) 현상을 기존 보다 훨씬 낮은 온도에서 구현하는 데 성공했다고 16일 밝혔다.
고체산화물 연료전지(SOFC)는 높은 에너지 변환 효율을 자랑하지만, 기존 시스템은 고온 작동에 따른 소재 열화가 단점으로 꼽혔다. 이를 해결하고자 600~800℃에서 구동하는 IT-SOFC 연구가 활발하지만, 온도가 낮아지면 공기극의 산소환원반응(ORR)이 느려져 전체 출력 성능이 떨어지는 한계가 있었다.
연구팀은 SmBa0.45Sr0.5Co1.9O5+δ(SBSCO) 층상 페로브스카이트 공기극에 코발트 질산염 용액을 양을 다르게 함침한 후 실시간 투과전자현미경(In-situ TEM)으로 미세구조를 관찰했다. 그 결과, 기존 비함침 소재에서는 약 800도에서 발생하던 코발트 용출 현상이 약 600도 저온 영역에서 작동함을 세계 최초로 정밀 검증했다.
완화시간 분포(DRT) 및 전기화학 임피던스 분석 결과, 코발트 용출을 통해 공기극과 전해질 계면에서의 산소이온 이동 및 전하전달 저항이 대폭 감소했다. 고온 노출 시 발생하는 과도한 산소 손실과 구조적 불안정성 역시 효과적으로 제어됐다.
논문은 연료전지 및 수소 분야 권위지인 'Journal of Power Sources' 695권에 지난 11일 게재됐다. 한밭대 응용소재공학과 임유리 대학원생이 제1저자, 김정현 교수가 교신저자로 참여했다.
김 교수는 "코발트 함침 기술을 활용한 촉매 용출은 전기전도도와 산소 거동, 계면 전하전달 특성을 동시에 제어할 수 있는 열쇠"라며 "향후 고성능 IT-SOFC 공기극 설계 분야에 실질적인 기술 가이드라인을 제공할 것"이라고 평가했다.
이번 연구에는 한국세라믹기술원, 고려대학교, ㈜HnPower, 한국기계연구원, 스리랑카 스리 자예와르데네푸라대학교 연구진이 공동 참여했으며, 기후에너지환경부 및 과학기술정보통신부, 교육부·대전광역시의 연구 지원을 받아 수행됐다.
