대전 국립한밭대, 중·저온 연료전지 성능 높이는 기술 개발

사진설명: 국립한밭대학교 대학원 응용소재공학과 임유리 대학원생(왼쪽)과 신소재공학과 김정현 교수

국립한밭대학교(총장 오용준) 신소재공학과 김정현 교수 연구팀이 비화학양론 층상 페로브스카이트 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 공기극에 코발트(Co) 질산염 함침 기술을 적용해 코발트 용출(Co exsolution)을 유도하고, 이를 통해 전기화학적 성능과 전기전도도를 향상시키는 표면개질 기술을 개발했다.

이번 연구에는 국립한밭대 대학원 응용소재공학과 임유리 대학원생이 제1저자로, 김정현 교수가 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 연료전지 및 수소 분야의 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 활용할 수 있다는 장점으로 차세대 발전장치로 주목받고 있다. 그러나 기존 SOFC는 높은 작동온도로 인해 소재 열화와 열응력 등의 문제가 발생할 수 있어 이를 낮추기 위한 연구가 지속되고 있다.

특히 600~800℃에서 작동하는 중·저온형 고체산화물 연료전지(IT-SOFC)는 시스템의 내구성과 소재 안정성을 높일 수 있는 대안으로 관심을 받고 있다. 하지만 작동온도가 낮아질수록 공기극에서 일어나는 산소환원반응(Oxygen Reduction Reaction, ORR)이 느려지면서 연료전지 전체의 성능이 저하되는 한계가 있다.

김정현 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 SmBa0.45Sr0.5Co1.9O5+δ(SBSCO) 층상 페로브스카이트 공기극에 코발트 질산염(Co Nitrate) 용액을 서로 다른 양으로 함침하는 표면개질 기술을 적용했다. 이후 결정구조와 미세구조, 산소 거동, 전기전도도 및 전기화학적 특성을 종합적으로 분석해 코발트 함침이 공기극의 성능에 미치는 영향을 규명했다.

연구 결과, 코발트 함침 이후에도 SBSCO의 층상 페로브스카이트 결정구조는 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다. 함침된 코발트 가운데 일부는 코발트가 부족한 결정격자의 B-site에 치환됐으며, 나머지는 입자 표면과 입계에 코발트계 산화물 형태로 분포하는 것으로 확인됐다.

특히 연구팀은 실시간 투과전자현미경(In-situ TEM) 분석을 통해 약 600℃에서 SBSCO 입자 표면에 코발트 나노입자가 새롭게 석출되는 코발트 용출(Co exsolution) 현상을 관찰했다.

이는 기존 비함침 SBSCO에서 약 800℃에서 관찰됐던 코발트 용출보다 훨씬 낮은 온도에서 코발트 용출이 일어난다는 것을 의미한다. 또한 코발트 함침을 통해 형성된 코발트 산화물과 소재 내부에서 용출된 코발트 나노입자가 동시에 존재하는 새로운 표면 미세구조가 형성된다는 점에서도 의미가 있다.

코발트 용출이 실제 연료전지 성능 향상에 미치는 영향도 분석됐다.

연구팀이 완화시간 분포(Distribution of Relaxation Times, DRT) 분석을 실시한 결과, 코발트 용출에 따른 성능 향상은 공기극과 전해질 계면에서의 산소이온 이동과 전하전달 저항이 감소한 데 주로 기인하는 것으로 나타났다.

또한 열중량분석(TGA)과 X선 광전자 분광법(XPS)을 통해 코발트 함침 및 용출 과정에서 고온의 과도한 산소 손실과 산소공공 형성이 억제되는 동시에 표면 코발트의 산화상태에도 변화가 나타나는 것을 확인했다.

이 같은 결과는 코발트 함침을 통해 단순히 공기극 표면에 촉매 물질을 추가하는 것을 넘어, 코발트의 분포와 산소 거동, 전기전도도, 공기극-전해질 계면의 전하전달 특성을 동시에 조절할 수 있음을 보여준다.

김정현 교수는 “이번 연구에서 비화학양론 층상 페로브스카이트 공기극에 적용한 코발트 함침을 통해 생성된 코발트 용출이 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 최적의 함침량이 존재한다는 점을 전기화학 임피던스와 DRT 분석을 통해 확인했다”며 “특히 실시간 투과전자현미경을 이용해 약 600℃에서 코발트 용출 과정을 직접 관찰하고, 이러한 미세구조 변화와 전기화학적 성능의 상관관계를 분석한 것이 이번 연구의 중요한 성과”라고 밝혔다.

한편 이번 연구에는 국립한밭대학교를 비롯해 한국세라믹기술원, 고려대학교, ㈜HnPower, 한국기계연구원, 스리랑카 스리 자예와르데네푸라대학교(University of Sri Jayewardenepura) 연구진이 공동으로 참여했다.

이번 연구는 기후에너지환경부의 ‘충청권 분산에너지 대응 에너지기술공유대학’, 과학기술정보통신부·한국연구재단이 지원하는 ‘청정수소원천기술밸류업사업’, 그리고 2026년도 교육부 및 대전광역시의 ‘지역성장 인재양성체계(앵커) 사업’의 지원을 받아 수행됐다.