수소 저장·운송 한계 넘을 차세대 암모니아 연료전지 기술 개발

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 이강택·배중면 교수는 한국세라믹기술원(KICET) 신태호 박사, 한국지질자원연구원(KIGAM) 노기민 박사 공동 연구팀과 함께 암모니아 기반 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC)의 성능과 내구성을 획기적으로 향상시키는 촉매 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

암모니아는 액체 형태로 저장과 운송이 쉬워 차세대 수소 운반체로 주목받고 있다. 또 질소(N)와 수소(H)로만 구성돼 발전 과정에서 이산화탄소(CO₂)를 거의 배출하지 않는 대표적인 무탄소 연료로 평가받는다.

하지만 연료전지 내부에서 니켈 기반 소재를 손상시키고 반응 속도를 떨어뜨려 성능 저하와 수명 단축을 유발하는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 여러 원소를 혼합해 구조 안정성을 높이는 '고엔트로피' 산화물 촉매와 구동 과정에서 표면에 자발적으로 형성되는 금속 나노입자를 결합한 새로운 촉매 구조를 설계했다.

이 촉매는 암모니아 환경에서도 구조가 쉽게 무너지지 않고 암모니아를 수소로 분해하는 반응을 효과적으로 촉진하는 것으로 나타났다.

연구팀은 밀도범함수이론(DFT) 분석을 통해 고엔트로피 산화물 구조가 암모니아 분해 반응에 필요한 에너지 장벽을 낮추고 금속 입자 형성을 촉진한다는 사실을 규명했다.

특히 촉매 표면에 스스로 형성된 금속 합금 나노입자는 단일 금속 촉매보다 훨씬 높은 촉매 활성을 보였다. 이를 적용한 연료전지는 700도에서 단위면적(1㎠)당 2.04W의 최대 출력밀도를 기록했다.

손톱 크기 면적에서 높은 전력을 생산할 수 있다는 의미로, 수소 이온을 이동시켜 전기를 생산하는 암모니아 기반 프로토닉 세라믹 연료전지 분야 세계 최고 수준의 성능이라고 연구팀은 설명했다.

또 600도의 가혹한 환경에서도 255시간 이상 안정적으로 작동하며 기존 촉매에서 나타나던 성능 열화 문제도 크게 개선했다.

연구팀은 이번 연구가 인공지능(AI) 시대 급증하는 전력 수요를 대응하기 위한 안정적이고 친환경적인 전력 공급 기술로서 잠재력이 높다고 강조했다.

이 교수는 "고엔트로피 산화물과 합금 나노입자의 시너지 구조를 통해 암모니아 연료전지의 성능과 내구성을 동시에 높였다"며 "이번 연구는 암모니아 기반 무탄소 발전 기술과 차세대 수소 에너지 시스템 상용화를 앞당기는 계기가 될 것"이라고 말했다.

KAIST 기계공학과 김동연 박사, 한국세라믹기술원 박동재 연구원, 한국지질자원연구원 정인철 박사가 공동 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 나노 마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)에 게재됐다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 글로벌 기초연구실 지원사업, 과학기술원 이노코어(InnoCORE) 사업, 한국지질자원연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr