금오공대, 차세대 연료전지 공기극 설계로 성능·안정성 동시 돌파
국제학술지 표지논문 선정…고효율·내구성 입증
국립금오공과대학교 연구진이 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받는 프로토닉 세라믹 연료전지의 성능과 안정성을 동시에 개선할 수 있는 핵심 기술을 개발했다. 상용화의 최대 걸림돌로 꼽히던 열기계적 불안정성 문제를 구조 설계로 해결했다는 점에서 의미가 크다.
국립금오공과대학교는 기계공학부 최시혁 교수 연구팀이 고성능과 내구성을 동시에 확보한 공기극 설계 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 한국과학기술연구원(KIST) 지호일 책임연구원, 충남대 장성민 교수 연구팀과의 공동 연구로 진행됐다.
프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC)는 수소 이온을 전하 운반체로 활용해 기존 연료전지보다 낮은 온도에서도 높은 효율을 구현할 수 있는 차세대 에너지 변환 기술이다. 그러나 중저온 영역에서는 산소 환원 반응 속도가 느려 출력이 제한되고, 공기극과 전해질 간 열팽창 차이로 인한 구조적 손상이 발생하는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 열팽창 특성이 전해질과 유사한 LSM 소재를 뼈대로 활용하고, 그 표면에 촉매 활성이 뛰어난 PBSCF 물질을 나노입자 형태로 침투시키는 복합 공기극 구조를 설계했다. 이를 통해 전기화학 반응 면적을 확대하고 이온 이동 경로를 효율적으로 확보했다.
그 결과 해당 공기극은 600℃에서 1.55W/㎠, 500℃에서 0.80W/㎠의 높은 전력 밀도를 기록했다. 또한 550℃에서 400℃ 구간을 반복하는 100회 열 사이클 시험에서도 성능 저하나 계면 박리 없이 안정성을 유지했다.
연구팀은 ANSYS 기반 열응력 해석을 통해 LSM 구조가 공기극과 전해질 간 열팽창 불일치를 효과적으로 완화한다는 점도 확인했다. 특히 공기극과 전해질 계면의 안정성을 평가하기 위해 '안전 계수' 개념을 도입해, 다양한 온도 변화 환경에서도 안정적인 구동이 가능한 설계 기준을 제시했다.
제1저자인 윤지원 학생은 "단순한 성능 개선을 넘어 실제 상용화의 핵심 과제인 열기계적 안정성을 구조적으로 해결한 데 의의가 있다"고 설명했다.
최시혁 교수는 "이번 연구에서 제시한 설계 전략은 연료전지뿐 아니라 다양한 세라믹 기반 다층 에너지 시스템의 신뢰성을 높이는 데 활용될 수 있다"고 밝혔다.
이번 연구 결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 Advanced Functional Materials(IF 19.0)에 3월 23일자로 게재됐으며, 표지논문으로도 선정됐다.
한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행됐다.