【브레이크뉴스 구미】이성현 기자=국립금오공과대학교 연구진이 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받는 프로토닉 세라믹 연료전지의 핵심 난제를 해결하는 공기극 개발에 성공했다.
 ▲ 개념 공기극 구조 기반 고성능/열기계적 안정성을 구현한 프로토닉 세라믹 연료전지 © 금오공대 |
국립금오공과대학교(총장 김상호)는 기계공학부 최시혁 교수 연구팀이 전기화학적 성능과 열기계적 안정성을 동시에 극대화할 수 있는 공기극 설계 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 한국과학기술연구원(KIST) 지호일 책임연구원, 충남대학교 장성민 교수 연구팀과의 공동 연구로 수행됐다.
프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC)는 수소 이온을 전하 운반체로 활용해 기존 연료전지보다 낮은 온도(400~600℃)에서도 높은 효율을 구현할 수 있는 차세대 에너지 변환 기술이다. 그러나 저온 영역에서는 산소 환원 반응 속도가 느려 출력 성능이 제한되는 문제가 있었다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 열팽창 특성이 전해질과 유사한 LSM 물질을 뼈대로 활용하고, 그 표면에 촉매 활성이 우수한 PBSCF 나노입자를 침투시키는 복합 공기극 구조를 제안했다. 해당 구조는 3차원 나노 네트워크를 형성해 이온 이동 통로와 반응 면적을 동시에 확보하는 것이 특징이다.
실험 결과, 개발된 공기극은 600℃에서 1.55W/㎠, 500℃에서 0.80W/㎠의 높은 전력 밀도를 기록했으며, 반복적인 열 변화 환경에서도 성능 저하나 계면 손상 없이 안정적인 작동을 유지했다.
또한 연구팀은 열응력 해석을 통해 소재 간 열팽창 불일치를 효과적으로 완화할 수 있음을 검증하고, 공기극과 전해질 계면의 안정성을 평가하는 ‘안전 계수’ 개념을 도입해 설계 가이드라인도 제시했다.
제1저자인 윤지원 학생은 “성능 향상을 넘어 상용화의 핵심 과제인 열기계적 안정성을 구조 설계를 통해 해결한 데 의미가 있다”고 밝혔으며, 최시혁 교수는 “이번 연구 성과는 다양한 세라믹 기반 에너지 변환 시스템 설계에 활용될 수 있을 것”이라고 강조했다.
해당 연구는 에너지재료 분야 국제 학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 게재됐으며, 표지논문으로 선정됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 수행됐다.
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Kumoh National Institute of Technology Research Team Develops Next-Generation Fuel Cell Air Electrode… Simultaneously Securing Performance and Stability
Researchers at the National Institute of Technology have succeeded in developing an air electrode that solves a key challenge for protonic ceramic fuel cells, which are attracting attention as a next-generation eco-friendly energy technology.
The National Institute of Technology (President Kim Sang-ho) announced that a research team led by Professor Choi Si-hyuk of the Department of Mechanical Engineering has developed an air electrode design technology capable of simultaneously maximizing electrochemical performance and thermomechanical stability. This research was conducted as a joint study with Principal Researcher Ji Ho-il of the Korea Institute of Science and Technology (KIST) and the research team led by Professor Jang Sung-min of Chungnam National University.
Protonic ceramic fuel cells (PCFCs) are next-generation energy conversion technologies that utilize hydrogen ions as charge carriers to achieve high efficiency even at lower temperatures (400–600°C) than conventional fuel cells. However, there was a problem where output performance was limited in the low-temperature range due to the slow rate of the oxygen reduction reaction.
To address this, the research team proposed a composite air electrode structure utilizing an LSM material with thermal expansion properties similar to the electrolyte as a framework, infiltrating its surface with PBSCF nanoparticles exhibiting excellent catalytic activity. This structure is characterized by the formation of a three-dimensional nano-network to simultaneously secure ion transport pathways and reaction surface area.
Experimental results showed that the developed air electrode achieved high power densities of 1.55 W/cm² at 600°C and 0.80 W/cm² at 500°C, maintaining stable operation without performance degradation or interface damage even under conditions of repeated thermal changes.
Furthermore, the research team verified through thermal stress analysis that thermal expansion mismatches between materials can be effectively mitigated, and presented design guidelines by introducing the concept of a "safety factor" to evaluate the stability of the air electrode-electrolyte interface.
First author Ji-won Yoon stated, “It is significant that we solved the thermomechanical stability, a key challenge for commercialization beyond performance improvement, through structural design.” Professor Si-hyuk Choi emphasized, “The results of this research can be utilized in the design of various ceramic-based energy conversion systems.”
The study was published in the international energy materials journal ‘Advanced Functional Materials’ and was selected as a cover article. The research was supported by the Ministry of Science and ICT, the National Research Foundation of Korea, and the Korea Energy Technology Evaluation and Planning Agency.
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