세종대학교(총장 배덕효) 나노신소재공학과 박준영 교수 연구팀이 고온 수증기 전해셀을 이용한 수소 생산 프로톤전도성 고체전해질 연료전지(PCEC: Proton Conducting Ceramic Fuel Cell)의 발전 효율을 극대화 할 수 있는 신조성 공기극을 개발했다.

이번 연구는 전남대학교 신소재공학부 송선주 교수 연구팀과 미국 메릴랜드 대학 Eric D. Wachsman 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 진행됐다. 박교수는 제1저자와 교신저자 역할을 수행했다.

이번 논문에서 다룬 PCFC와 PCEC 공기극 전극 소재는 프로톤, 산소이온, 및 전자결함 정공의 3종 전하나르게가 동시에 이동하는 환경으로, 각각 전하종의 농도가 수화반응, 수소화 반응 및 산소화 반응으로 결정되는 복잡한 시스템이다. 

특히 공기극의 경우 각 결함 종의 농도가 전기 중성조건으로 만족되지만 전극 내부에서 디커플링된 확산으로 인한 국부적 결함-화학 평형이 유지되지 않아 전극반응 해석이 매우 난해한 소재이다. 

이번 연구에서는 Misfit 구조체 전극 산소이온의 염기성을 성공적으로 제어해 고체 전극 내에서 프로톤의 농도를 극대화하는데 성공했고, 전극반응에 참여하는 각 전하나르게의 열역학적 평형 특성 해석을 기반으로 고 내구성 고 성능 수소생산 전해셀을 성공적으로 구현했다.

박준영 교수는 “공동 연구진의 Misfit 구조체 신조성 전극 디자인 기술은 화학적 안정성과 전극 효율을 동시에 만족하는 성과로서 수소경제의 중추적 역할을 수행하게 될 중ㆍ저온 고체전해질 기반 전해셀의 국내기술을 선도할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.

연구에 참여한 박준영 교수 연구팀의 박광호 석박사 통합 연구생은 “이번 논문 발표를 통해서 한국이 프로톤세라믹 전지분야에서 선도하고 있음을 증명한것 같아 기분이 좋다. 아직 개선할 점이 많지만 차근 차근 단계를 밟아가며 해당 분야의 시장 선도와 소재 국산화에 목표를 두고 연구를 더 진행할 계획이다”라고 말했다. 

이번 연구 결과에 대한 논문 ‘Understanding the Highly Electrocatalytic Active Mixed Triple Conducting NaxCa3-xCo4O9-δ Oxygen Electrode Materials’은  에너지·재료 분야의 권위지인 ‘Advanced Energy Materials’ (IF:29.37) 온라인 판에 게재됐다. 

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