국립금오공과대학교(총장 김상호) 기계공학부(기계공학전공/항공기계전자융합전공) 최시혁 교수 연구팀이 프로토닉 세라믹 연료전지에서 우수한 전기화학적 성능과 열기계적 안정성을 동시에 극대화할 수 있는 합리적인 공기극 개발에 성공했다고 밝혔다. 이번 연구는 지호일 한국과학기술연구원(KIST) 책임연구원, 장성민 충남대 교수 연구팀과의 공동 연구 성과다.

  프로토닉 세라믹 연료전지(Protonic ceramic fuel cells, PCFCs)는 수소 이온(H⁺)을 전하 운반체로 활용함으로써 기존 연료전지보다 낮은 중저온(400~600℃) 영역에서도 높은 효율을 구현할 수 있는 차세대 친환경 에너지 변환 기술이다. 그러나 저온 영역에서는 전기화학 반응, 특히 산소 환원 반응(Oxygen reduction reaction, ORR) 속도가 현저히 느려지며, 이는 PCFC의 고출력 구현을 제한하는 주요 요인으로 작용한다.

  이에 따라 대부분의 PCFC에서는 저온에서도 우수한 촉매 활성을 보이는 코발트(Co) 기반 공기극 소재가 널리 사용되어 왔다. 하지만 이러한 소재는 전해질과의 열팽창계수(Thermal expansion coefficient, TEC) 차이가 커 반복적인 온도 변화 과정에서 계면 박리 및 구조적 손상을 유발할 수 있으며, 이러한 열기계적 불안정성은 PCFC 상용화를 저해하는 핵심적인 문제로 지적돼 왔다.

  이러한 문제를 해결하기 위해 최시혁 교수 연구팀은 전해질과 열팽창 특성이 매우 유사해 열기계적 안정성이 뛰어난 LSM(Sr-doped LaMnO3) 물질을 뼈대(Backbone)로 사용하고, 그 표면에 전기화학적 촉매 활성이 우수한 PBSCF(PrBa0.5Sr0.5Co1.5Fe0.5O5+δ)를 나노입자 형태로 침투(Infiltration)시키는 혁신적인 복합 공기극 설계 전략을 제시했다.

  최적화된 공기극은 3차원적으로 상호 연결된 나노입자 네트워크를 형성해 수소 이온과 산소 이온의 이동 통로를 효과적으로 확보하고, 반응 면적을 획기적으로 확장했다. 그 결과, 600℃에서 1.55W/cm2, 500℃에서 0.80W/cm2의 매우 우수한 최대 전력 밀도를 달성했으며, 550℃에서 400℃ 사이를 반복하는 100회의 가혹한 열 사이클 테스트(Thermal cycling test)에서도 공기극/전해질 계면 박리나 성능 저하 없이 뛰어난 안정성을 유지함을 입증했다.

  나아가 연구팀은 ANSYS 기반 열응력 해석(Thermal stress analysis)을 통해 LSM backbone이 공기극과 전해질 사이의 열팽창 불일치를 효과적으로 완화함을 검증했다. 특히, 열응력에 대한 공기극/전해질 계면의 안정성 지표로 안전 계수(Safety factor) 개념을 새롭게 도입해, 온도 변화에도 기계적인 결함 발생 없이 안정적인 구동이 가능한 최적의 소재 조합 및 미세구조 설계에 대한 실질적인 설계 가이드라인도 함께 제시했다.

 제1저자로 참여한 국립금오공대 윤지원 학생(석박사통합과정)은 “이번 연구는 단순한 미세구조 최적화를 통한 성능 향상을 넘어, 열기계적 안정성이라는 실제 상용화의 핵심 난제를 합리적인 구조 설계를 통해 전략적으로 해결한 것에 큰 의미가 있다”고 밝혔다.

  또한, 이번 연구를 주도한 최시혁 국립금오공대 교수는 “이번 연구에서 새롭게 도입한 안전 계수 기반의 분석과 제시한 소재 조합 및 미세구조 설계 가이드라인은, 향후 세라믹 기반의 다양한 multi-layer(다층 구조) 에너지 변환 시스템에서 발생하는 열팽창 불일치 문제를 해결하고 신뢰성 있는 소자를 설계하는 데 광범위하게 활용될 수 있을 것”이라고 강조했다.

  관련 연구의 논문 제목은 ‘Synergistic optimization of power output and thermomechanical stability enabled by rational cathode design in protonic ceramic fuel cells(프로토닉 세라믹 연료전지에서 출력 성능과 열기계적 안정성의 시너지적 최적화를 구현하는 합리적인 공기극 설계)’로, 에너지재료 과학 분야의 국제 저명 학술지인 ‘Advanced Functional Materials(상위 4.5%, IF 19.0)’에 3월 23일자로 게재됐으며, 표지논문(Front cover)으로도 선정됐다. 

  과학기술정보통신부가 추진하는 한국연구재단 나노및소재기술개발사업(국가전략기술소재개발), 우수신진연구사업 그리고 한국에너지기술평가원의 신재생에너지핵심기술개발사업의 지원으로 진행됐다.