수소 없이도 전기 만든다…암모니아 연료전지 성능 25% 향상

포스텍

암모니아 연료 고체산화물 연료전지의 반응 메커니즘 모식도. 암모니아(NH₃)는 전극에 들어와 수소와 질소로 분해된 뒤 수소가 산소와 반응해 전기를 만든다. 이때 바륨이 포함된 철 입자가 촉매로 작용해 질소를 떼어내는 반응을 빠르게 해 전체 효율을 높인다. 포스텍 제공

수소 저장이나 운송 없이 암모니아로 직접 전기를 만드는 연료전지 기술이 나왔다. 

포스텍은 김원배 화학공학과·배터리공학과 교수팀이 ‘고체산화물 연료전지(DA-SOFC)’의 성능과 내구성을 동시에 높이는 전극 설계 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘화학 공학 저널(Chemical Engineering Journal)’에 15일 실렸다.

고체산화물 연료전지는 연료의 화학에너지를 전기로 바꾸는 친환경 발전 장치다. 지금까지는 대부분 수소를 사용했지만 수소는 -253℃의 극저온에서 액화하거나 고압으로 저장해야 해 인프라 비용이 많이 든다. 반면 암모니아(NH₃)는 상온에서도 액화가 쉽고 에너지 밀도가 높다. 이산화탄소를 배출하지 않아 탄소중립 연료로도 주목받고 있다.

문제는 암모니아가 전극 표면에서 분해되는 과정이다. 기존 니켈 전극은 반응 중 금속 입자가 뭉치고 전극이 갈라져 성능이 급격히 떨어졌다.

연구팀은 이 약점을 ‘바륨’과 ‘철’의 조합으로 해결했다. 바륨은 강한 염기성을 가진 물질로 질소 원자를 쉽게 떼어내도록 돕는다. 또 전극 격자를 단단하고 넓게 만들어 철 나노입자가 균일하게 분포하도록 만든다. 철 나노입자는 촉매 역할을 하며 암모니아가 전기로 바뀌는 반응을 돕는다. 

실험에서 새 전극은 기존보다 25% 높은 최대 전력밀도(1.02W/㎠)를 기록했다. 200시간 이상 연속 운전에서도 성능 저하 없이 안정성을 유지했고 투입된 암모니아가 모두 반응해 남지 않는 100% 분해 효율을 달성했다.

김원배 포스텍 교수는 “바륨과 철 나노입자의 결합으로 연료전지의 효율과 내구성을 동시에 높였다”며 “암모니아의 저장·운송이 쉬운 만큼 탄소 제로 전력 생산의 핵심 기반 기술로 발전할 것”이라고 말했다.

이번 연구는 복잡한 수소 저장·운송 없이 전지 발전 효율과 수명을 함께 확보했다는 점에서 의의가 크다.

<참고자료>
- doi.org/10.1016/j.cej.2025.168167

[조가현 기자 gahyun@donga.com]