(대전=뉴스충청인) 김수환 기자 = 국립한밭대학교(총장 오용준) 신소재공학과 김정현 교수 연구팀이 대칭형 고체산화물 연료전지에 적용 가능한 코발트 프리 층상 페로브스카이트 전극 소재를 대상으로 망간 치환 비율에 따른 전기화학적 성능과 전기전도도 구조 안정성 변화를 체계적으로 분석해 상관관계를 규명한 연구 결과를 발표했다.

고체산화물 연료전지는 공기극과 연료극에 서로 다른 소재를 적용해야 하는 한계가 있으며 이를 개선하기 위해 하나의 전극 소재로 산화 환원 분위기에서 모두 작동하는 대칭형 고체산화물 연료전지를 제안했다.

이번 연구는 임유리 석사과정생이 제1저자로 참여했으며 재료과학 분야 국제 학술지 Ceramics International 온라인에 Electrochemical properties of layered perovskite for the electrode of symmetrical solid oxide fuel cells라는 제목으로 지난 30일 게재됐다.

연구팀은 SmBa Fe1-xMnx 2O5+d 조성의 층상 페로브스카이트 산화물을 합성하고 LSGM 전해질 기반 반전지를 이용해 공기와 수소 분위기에서 전기화학 임피던스 특성을 분석했다. 그 결과 SmBa Fe0.9Mn0.1 2O5+d 조성이 전 온도 영역에서 비교 조성 대비 낮은 면적비저항을 보이며 공기와 수소 분위기 모두에서 균형 잡힌 전극 반응 특성을 나타냈다.

전기전도도 측정 결과 공기와 질소 분위기에서는 Mn 함량 증가에 따라 전도도가 감소하는 경향이 관찰됐으며 이는 Mn 치환에 따른 궤도 중첩 감소와 정공 농도 변화와 연관된 것으로 확인됐다. 반면 수소 분위기에서는 소량의 Mn 치환이 전기전도도 향상에 기여했으며 초기 가열 과정 중 약 450도 부근에서 전도도 급감 현상이 나타났다.

X선 회절 분석 결과 해당 온도 영역에서 환원 분위기에서만 발생하는 입방정계에서 사방정계로의 구조 전이가 확인됐으며 이는 전도도 변화와 직접적으로 연계된 구조적 요인으로 분석됐다. 이후 고온 영역에서는 전도도가 다시 증가하고 반복 열사이클 실험에서도 구조와 전기적 특성이 안정적으로 유지되는 것으로 나타났다.

김정현 교수는 “층상 페로브스카이트 전극에서 Fe Mn 치환 비율 조절이 전기화학 성능과 전기전도도 구조 안정성에 미치는 영향을 체계적으로 규명했다”며 “산화와 환원 분위기 모두에서 작동 가능한 대칭형 고체산화물 연료전지 전극으로 소량의 Mn 치환이 산소 환원 반응과 수소 산화 반응에서 균형 잡힌 성능을 보인 점이 핵심 성과”라고 말했다.

임유리 석사과정생은 “Fe Mn 치환 비율에 따라 전기전도도와 전극 반응 특성이 뚜렷하게 변화했고 환원 분위기에서 발생하는 구조 전이와 전기전도도 변화의 연관성을 실험적으로 규명했다”며 “대칭형 고체산화물 연료전지 전극 조성 설계에 활용 가능한 분석 결과를 제시했다”고 밝혔다.

이번 연구는 국립한밭대학교와 랭커스터대학교 ㈜HnPower 브루나이다루살람대학교가 공동 참여했으며 과학기술정보통신부 충청권 분산 에너지 대응 에너지기술공유대학 사업과 교육부 한국연구재단 기초연구사업 지원으로 수행됐다.