뉴스스페이스=이종화 기자] 성균관대학교(총장 유지범) 미래에너지공학과 김준혁 교수 연구팀은 고체산화물 연료전지용 전극 개발 전략을 정립하고, 기능화 방향성을 제시했다.

고체 산화물 연료전지는 고온에서 작동하며 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 전환하는 높은 효율을 가진 에너지 변환 장치이다. 수소뿐만 아니라 천연가스 등 다양한 연료를 활용할 수 있어 연료 다양성이 뛰어나며, 고온 작동 특성 덕분에 귀금속 촉매 없이도 우수한 반응성을 확보할 수 있다.

또한 구동 중 이산화탄소를 배출하지 않는다는 점에서, 정지형 발전 에너지 시스템에 적합해 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다. 하지만 기존 고체산화물 연료전지는 산소이온전도체 기반 연료전지(Solid Oxide Fuel Cells, SOFC)에 연구가 집중되어 있었으나, 고온 구동으로 인한 소재 열화 및 비용증가 문제는 상용화 과정에 있어서 걸림돌로 작용했다.

해당 연구에서 다루는 프로톤 세라믹 연료전지는(PCFC, 수소이온 전도체를 사용하는 고체산화물 연료전지)는 전도특성이 우수한 수소이온 전도체를 전해질로 사용하므로 저온에서 더 우수한 전기화학적 성능을 확보하며, 경제적 이점 또한 예상된다.

게다가 양방향 구동(reversible)이 가능하여 태양광, 풍력 발전으로 전력 잉여시 해당 전력으로 물을 전기분해하여 수소로 저장하였다가, 전력 수요가 높을 시 저장 수소를 발전하여 전력 생산이 가능한 지속가능 발전소자로 유동적인 활용이 가능하다는 점에서 유망한 에너지 저장/변환 장치로 볼 수 있다.
 

하지만 해당 연료전지는 다소 기대에 미치지 못하는 공기극 반응속도로 내재된 에너지 저장 및 변환 특성을 발휘하지 못하는 실정이다. 따라서 공기극용 신물질 설계법 및 공기극 성능증진에 쓰일 수 있는 전략제시가 필수적이다.

이에 이번 연구에서는 현재까지 보고된 전극 설계 및 기능화 전략을 체계적으로 정리하고, 각 접근법의 장단점을 비교 분석함으로써 고성능 공기극 개발을 위한 방향성을 제시하고자 하였다. 또한, 차세대 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC) 상용화를 위한 핵심 연구 흐름과 향후 주목해야 할 기술적 과제들에 대해서도 통찰을 제공하고 있다.

교신저자인 김준혁 교수는 “이번 연구를 통해 고온에서 작동하는 기존 연료전지의 한계를 극복하고, 비교적 낮은 온도에서도 안정적이고 효율적인 구동이 가능한 차세대 연료전지 개발에 실질적인 기여가 가능할 것으로 보인다”며 “연료전지의 상용화 가능성을 앞당기고, 수소 기반 친환경 에너지 전환 기술의 확산에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 전망된다”고 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단 및 한국전력공사의 지원을 받았으며, 결과는 재료과학 분야 최고 권위 국제학술지인 InfoMat에 2025년 4월 28일자로 게재되었다.