[더팩트ㅣ대전=이병수 기자] 국립한밭대학교 신소재공학과 김정현 교수 연구팀이 코발트 표면개질을 통해 중·저온형 고체산화물 연료전지(IT-SOFC)의 공기극 성능을 높이는 기술을 개발했다.
국립한밭대는 김정현 교수 연구팀이 비화학양론 층상 페로브스카이트 고체산화물 연료전지 공기극에 코발트(Co) 질산염 함침 기술을 적용해 코발트 용출(Co exsolution)을 유도하고 전기화학적 성능과 전기전도도를 향상시키는 표면개질 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.
이번 연구에는 국립한밭대 대학원 응용소재공학과 임유리 대학원생이 제1저자로 김정현 교수가 교신저자로 참여했다.
연구 논문은 연료전지·수소 분야 국제학술지 'Journal of Power Sources' 695권(2026)에 'Enhanced electrochemical performance of non-stoichiometric SBSCO cathodes for IT-SOFC via Co nitrate impregnation'이라는 제목으로 지난 11일 게재됐다.
고체산화물 연료전지는 높은 에너지 변환 효율과 다양한 연료를 사용할 수 있는 장점이 있지만, 기존 시스템은 높은 작동온도로 인해 소재 열화와 열응력 등의 문제가 발생할 수 있다.
이에 따라 600~800℃에서 작동하는 중·저온형 고체산화물 연료전지가 주목받고 있으나 작동온도가 낮아질수록 공기극에서 산소환원반응(ORR)이 느려져 연료전지 전체 성능이 떨어지는 한계가 있다.
연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 SmBa0.45Sr0.5Co1.9O5+δ(SBSCO) 층상 페로브스카이트 공기극에 코발트 질산염 용액을 함침하고 함침량에 따른 결정구조와 미세구조, 산소 거동, 전기전도도 및 전기화학적 특성을 종합적으로 분석했다.
그 결과 코발트 함침 이후에도 SBSCO의 층상 페로브스카이트 구조가 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.
또 일부 코발트는 코발트가 부족한 결정격자의 B-site에 치환되고, 나머지는 입자 표면과 입계에 코발트계 산화물 형태로 분포하는 것으로 확인됐다.
특히 실시간 투과전자현미경(In-situ TEM) 분석을 통해 약 600℃부터 SBSCO 입자 표면에 코발트 나노입자가 새롭게 석출되는 '코발트 용출' 현상이 관찰됐다.
이는 기존 비함침 SBSCO에서 약 800℃에서 나타났던 코발트 용출보다 낮은 온도다. 연구팀은 이를 통해 함침으로 형성된 코발트 산화물과 소재 내부에서 석출된 코발트 입자가 함께 존재하는 새로운 표면 미세구조가 형성되는 것을 확인했다.
완화시간 분포(DRT) 분석에서는 코발트 용출에 따른 성능 향상이 공기극과 전해질 계면에서의 산소이온 이동 및 전하전달 저항 감소에 주로 기인하는 것으로 나타났다.
또 열중량분석(TGA)과 X선 광전자 분광법(XPS)을 통해 코발트 함침 이후 고온에서 과도한 산소 손실과 산소공공 형성이 억제되고, 표면 코발트의 산화상태에도 변화가 나타나는 것을 확인했다.
김정현 교수는 "이번 연구에서 비화학양론 층상 페로브스카이트 공기극에 적용한 코발트 함침을 통해 생성된 코발트 용출은 단순한 표면 촉매 개질을 넘어 코발트의 분포와 산소 거동, 전기전도도, 공기극과 전해질 계면의 전하전달 특성을 동시에 조절할 수 있음을 확인했다"고 말했다.
이어 "적절한 코발트 함침을 통해 중·저온 영역에서 산소환원반응을 효과적으로 촉진할 수 있다는 점에서 향후 고성능 IT-SOFC 공기극 설계에 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 덧붙였다.
제1저자인 임유리 대학원생은 "코발트 함침량을 증가시키는 것만으로 성능이 계속 향상되는 것이 아니라 최적 함침량이 존재한다는 점을 전기화학 임피던스와 DRT 분석을 통해 확인했다"며 "특히 실시간 투과전자현미경을 이용해 약 600℃에서 코발트 용출 과정을 관찰하고 이러한 미세구조 변화와 전기화학적 성능의 상관관계를 분석한 것이 본 연구의 중요한 성과"라고 밝혔다.
한편 이번 연구에는 국립한밭대를 비롯해 한국세라믹기술원, 고려대, HnPower, 한국기계연구원, 스리랑카 스리 자예와르데네푸라대학교 연구진이 공동으로 참여했다.
연구는 기후에너지환경부의 '충청권 분산에너지 대응 에너지기술공유대학', 과학기술정보통신부·한국연구재단의 '청정수소원천기술밸류업사업', 2026년도 교육부 및 대전시의 '지역성장 인재양성체계(앵커) 사업' 지원을 받아 수행됐다.
tfcc2024@tf.co.kr
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