수소를 공기 중 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 SOFC는 반응 후 물만 배출되어 친환경적이며, 설치장소 제약이 적어 분산발전에 적합한 신재생에너지 기술로 각광받고 있다.

하지만 갑자기 구동이 멈추거나 연료공급이 중단되면 전기 생산 반응을 일으키는 전극의 성능이 급격히 저하되어 안정성 확보에 어려움이 있었다.

이에 이강택 교수 연구팀은 SOFC 전극의 안정성 문제를 해결하기 위해 이중층 페로브스카이트(SGNM, SrGdNixMn1-xO4±δ) 구조로 설계된 새로운 전극소재를 개발했다.

이번에 개발된 전극소재 내부에는 수소의 산화반응 효율성을 높이는 촉매인 니켈(Ni)이 심어져 있다. 연료전지가 작동하면 전극 표면의 니켈이 자발적으로 외부로 이동해 나노금속촉매를 형성하는 용출(Exsolution) 현상이 발생한다. 용출된 니켈 촉매는 연료전지에서 고효율 산화반응이 일어날 수 있도록 도와줘 연료전지의 안정성과 성능을 함께 향상시켰다.  

용출 현상은 최근 여러 과학자들 사이에서 연구되어 왔으나, 대부분의 연구는 나노금속촉매의 형성과 촉매의 산화반응에 있어 일시적인 성능 향상에 집중되어 있었다. 이에 반해 이강택 교수 연구팀은 산화-환원 주기(Redox Cycle) 속에서 산화반응이 안정적이고 효율적으로 일어날 수 있는 연료전지 전극 개발에 집중해 SOFC 성능 향상과 기술 상용화를 앞당길 수 있는 성과를 거뒀다.

또한 이번 연구 결과는 연료전지의 연료공급여부에 따라 니켈 나노금속촉매가 용출되는 가역적(Reversible) 표면 구조 변화가 가능하다는 사실을 증명해, 향후 높은 성능 및 내구성을 동시에 보장하는 신소재 전극 개발에 있어 새로운 지평을 열어줄 것으로 기대된다.

이강택 교수는 “기존 SOFC 전극 소재는 성능이 우수하더라도 수소 공급이 불안정해지면 성능이 급격히 저하되고 본래의 성능을 회복하기가 어려웠다”며 “자발적 나노금속촉매 용출 현상 제어를 통해 높은 성능과 함께 산화-환원에 대한 안정성을 개선한 전극은 SOFC 상용화를 선도하는 기술이 될 것”이라고 설명했다.