(a) 직접 암모니아 프로토닉 세라믹 연료전지 구동 메커니즘 및 연료극 주사 전자 현미경 사진

(b) 연료전지 단면 주사 전자 현미경 사진

(a) 직접 암모니아 프로토닉 세라믹 연료전지 전류-전압 특성 곡선

(b) 직접 암모니아 프로토닉 세라믹 연료전지 장기 전류 밀도 안정성 평가 결과

(c) 본 연구와 기존 연구들의 직접 암모니아 연료전지 전기화학 성능 비교

친환경 에너지 전환 가속화, 국립금오공대의 혁신적 연구 성과

탄소 배출 없는 전기 생산, 새로운 연료전지 기술의 가능성

(전국= KTN) 김도형 기자= 국립금오공과대학교(총장 곽호상) 기계공학과 최시혁 교수 연구팀이 귀금속 촉매 없이도 고성능을 발휘하는 직접 암모니아 프로토닉 세라믹 연료전지 개발에 성공했다. 이번 연구는 미국 노스웨스턴대 소시나 하일리 교수 연구팀과의 협업을 통해 진행됐으며, 관련 성과는 에너지 분야 국제 학술지 ACS Energy Letters에 11월 8일 게재됐다.

     윤지원 학생(제1저자)                                          최시혁 교수(교신저자)

암모니아: 수소의 대안으로 주목

암모니아는 탄소 배출이 없는 수소 운반체로 주목받으며, 400℃ 이상의 고온에서 질소와 수소로 분해되어 연료로 활용된다. 그러나 기존의 직접 암모니아 연료전지(DAFC)는 암모니아를 분해하기 위해 귀금속 촉매를 사용하는 방식이 일반적이었다. 이는 높은 비용과 촉매의 내구성 저하 문제를 야기하며, 기술적 난관으로 작용해왔다.

귀금속 없는 연료전지 개발

최시혁 교수 연구팀은 니켈 촉매와 전해질을 조합해 귀금속 촉매 없이도 암모니아 분해를 효과적으로 수행할 수 있는 연료극을 설계했다. 특히 약 2μm 크기의 촉매 입자와 330μm 두께의 기공 구조를 통해 면적당 촉매 활성 부위를 극대화했으며, 암모니아 분해 효율과 구조적 안정성을 동시에 확보했다.

이 연료전지는 600℃와 500℃에서 각각 1.14W/cm² 및 0.44W/cm²의 최대 전력 밀도를 기록하며, 기존 귀금속 촉매 기반 시스템보다 뛰어난 성능을 입증했다. 또한, 500℃의 조건에서 200시간 이상 열화 없이 안정적으로 작동했으며, 니켈 질화물 형성 없이 높은 내구성을 유지했다.

탄소중립과 환경 보호 가능성

이번 연구의 성과는 단순한 기술적 발전을 넘어 환경적 의미를 가진다. 실험 결과, 연료전지 작동 중 질소산화물(NOx)과 같은 유해 물질이 검출되지 않아 환경 오염 최소화 가능성을 확인했다. 이는 암모니아가 탄소 배출 없는 친환경 연료로 자리 잡을 수 있는 잠재력을 보여준다.

해당 연구 논문은 “Understanding direct-ammonia protonic ceramic fuel cells: High-performance in the absence of precious metal catalysts”라는 제목으로 발표됐으며, 이는 기존 연구가 귀금속 촉매 활용에 의존했던 방향성을 벗어나 새로운 가능성을 열었다는 점에서 큰 의의를 가진다.

제1저자인 윤지원 석박통합과정 학생은 “기존의 연구가 귀금속 촉매 개발에 국한됐던 것과 달리, 이번 연구는 고성능과 안정성을 모두 충족할 수 있는 연료전지 설계의 새로운 접근법을 제시했다”며 “후속 연구를 통해 실질적인 상용화 가능성을 높여가겠다”고 밝혔다.

최시혁 교수는 “암모니아를 직접 활용한 연료전지는 수소의 저장 및 운송 문제를 해결하는 동시에 탄소중립 실현의 핵심 기술이 될 것”이라며 연구의 중요성을 강조했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 우수신진연구사업, 나노 및 소재기술개발사업, 미래수소원천기술개발사업과 한국과학기술연구원(KIST)의 주요 사업 지원을 통해 이루어졌다.

암모니아를 기반으로 한 고성능 연료전지 기술은 에너지 혁신의 방향성을 제시하며, 탄소중립 시대를 앞당기는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

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