차세대 에너지 전환 기술의 핵심으로 꼽히는 고체산화물 연료전지(SOFC) 연구에서 한밭대학교가 의미 있는 성과를 냈다. 

국립한밭대학교 신소재공학과 김정현 교수 연구팀은 연료전지의 성능을 비약적으로 향상시킬 수 있는 새로운 공기극 조성의 특성을 밝혀내며 차세대 연료전지 개발에 청신호를 밝혔다.

이번 연구는 코발트(Co)와 철(Fe)의 치환 비율이 전도도와 전극 성능에 어떤 영향을 미치는지 규명한 것으로, 향후 중·저온 고체산화물 연료전지(IT-SOFC)용 공기극 설계 전략을 제시할 수 있는 가능성을 보여줬다.

특히 홍유택 석사과정생이 제1저자로 참여한 논문은 지난 23일 한국세라믹학회 SCI 학술지 'Journal of Korean Ceramic Society' 온라인판에 게재돼 국제 학계의 관심을 모았다.

연구팀은 적층형 페로브스카이트 구조의 SmBaCo₂xFe₂(1-x)Ox+δ(SBCF) 조성을 합성해 Co와 Fe의 치환 비율에 따른 전기적·전기화학적 특성을 정밀 분석했다. 그 결과, Co 치환량이 높은 조성(x≥0.7)에서 최소 100S/cm 이상의 전기전도도를 확보했으며, 특히 SBCF 1.8?0.2 1200 조성은 300℃에서 764.99S/cm의 높은 전도도를 기록했다.

또한 SBCF와 CGO91을 혼합한 복합 공기극 가운데 SBCF 1.8-0.2 1100 조성은 700℃에서 0.06Ω·㎠의 낮은 면적비저항(ASR)을 보여 탁월한 전기화학적 성능을 입증했다. 이 같은 성능 향상은 이온 수송 개선, 열팽창 불일치 완화, 삼상경계면 확장 효과 등이 맞물려 나타난 결과로 풀이된다.

주사전자현미경(SEM) 분석에서는 열처리 온도가 높아질수록 입자 성장이 촉진되며 치밀한 미세구조가 형성되는 현상도 확인됐다. 특히 SBCF 1.8-0.2 1200 조성의 평균 입자 크기는 약 4.68㎛로, 전도도와 안정성 모두에서 우수한 성능을 보였다.

김정현 교수는 "Co와 Fe 치환을 통한 조성 제어가 전도도와 전극 성능에 어떻게 작용하는지를 규명한 것이 핵심 성과"라며 "최적 조성을 도출함으로써 차세대 IT-SOFC용 공기극 설계에 새로운 길을 제시했다"고 말했다.

홍유택 석사과정생도 "실제 작동 환경에서도 적용 가능한 공기극 설계 전략을 제안했다는 점에서 큰 의미가 있다"며 "앞으로 고성능 소재 개발 연구에 더욱 집중하겠다"는 포부를 밝혔다.

이번 연구는 국립한밭대학교와 ㈜EXSEN, 브루나이다루살람대학교, 한국표준과학연구원이 공동으로 수행했으며, 과학기술정보통신부 '충청권 분산에너지 대응 에너지기술공유대학(No. RS-2024-00394769)' 사업의 지원을 받아 진행됐다. /대전=이한영기자