수소 저장·운송의 한계를 보완할 차세대 에너지원으로 주목받는 암모니아 기반 연료전지 기술을 국내 연구진이 개발했다.

KAIST는 기계공학과 이강택·배중면 교수 연구팀이 한국세라믹기술원, 한국지질자원연구원과 공동으로 암모니아 기반 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC)의 성능과 내구성을 높이는 촉매 기술을 개발했다고 25일 밝혔다.

암모니아는 액체 상태로 저장·운송이 쉬워 차세대 수소 운반체로 주목받는다. 질소와 수소로만 구성돼 발전 과정에서 이산화탄소(CO₂) 배출이 거의 없는 대표적 무탄소 연료로 평가된다.

하지만 기존 암모니아 연료전지는 내부 니켈 기반 소재 손상과 반응 속도 저하로 성능과 수명이 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 여러 원소를 혼합한 ‘고엔트로피 산화물 촉매’와 구동 과정에서 촉매 표면에 자발적으로 형성되는 금속 나노입자를 결합한 새로운 촉매 구조를 개발했다.

연구 결과 해당 촉매는 암모니아 환경에서도 구조 안정성을 유지하면서 암모니아를 수소로 분해하는 반응을 효과적으로 촉진하는 것으로 나타났다.

연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 분석을 통해 고엔트로피 산화물 구조가 암모니아 분해 반응의 에너지 장벽을 낮추고 금속 입자 형성을 촉진한다는 점도 확인했다.

특히 촉매 표면에 형성된 금속 합금 나노입자는 기존 단일 금속 촉매보다 높은 반응 활성을 보였다.

이를 적용한 연료전지는 700℃ 환경에서 1㎠당 2.04W의 최대 출력밀도를 기록했다. 연구팀은 이는 암모니아 기반 프로토닉 세라믹 연료전지 분야 세계 최고 수준 성능이라고 설명했다.

또 600℃ 환경에서 255시간 이상 안정적으로 작동해 기존 촉매의 성능 저하 문제도 크게 개선했다.

연구팀은 이번 기술이 차세대 수소경제와 무탄소 발전 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대했다.

이강택 교수는 “고엔트로피 산화물과 합금 나노입자의 시너지 구조를 통해 암모니아 연료전지의 성능과 내구성을 동시에 향상시켰다”며 “암모니아 기반 무탄소 발전 기술과 차세대 수소 에너지 시스템 상용화를 앞당기는 계기가 될 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)’ 4월 17일자에 게재됐다.