"암모니아로 세계 최고 출력"…KAIST, 무탄소 연료전지 성능·수명 동시 개선

보도기사

700도에서 2.04와트 기록…255시간 이상 안정 작동
수소 저장 한계 넘을 차세대 발전 기술 상용화 기대

암모니아를 연료로 사용해 전기를 만드는 차세대 연료전지(AI 이미지)

수소 저장·운송의 한계를 넘어설 차세대 에너지원으로 주목 받는 암모니아를 직접 연료로 쓰면서도 세계 최고 수준의 출력과 내구성을 갖춘 연료전지 기술이 국내에서 개발됐습니다. 수소 저장과 운송의 부담을 줄이면서 탄소 배출 없이 전기 생산이 가능해 차세대 수소경제의 핵심 기술로 주목받고 있습니다.

KAIST 기계공학과 이강택 교수, 배중면 교수 연구팀이 한국세라믹기술원 신태호 박사, 한국지질자원연구원 노기민 박사와 함께 암모니아 기반 프로토닉 세라믹 연료전지의 성능과 안정성을 크게 높인 촉매 기술을 개발했습니다.

암모니아는 액체 상태로 저장과 운송이 쉬워 수소를 저장·운반하는 매개체로 주목받고 있습니다. 질소와 수소로만 이뤄져 있어 발전 과정에서 이산화탄소를 거의 배출하지 않는 대표적인 무탄소 연료입니다.

하지만 연료전지 내부에서 암모니아가 니켈 기반 전극을 손상시키고 반응 속도를 떨어뜨려 출력 저하와 수명 단축을 일으키는 문제가 있었습니다.

여러 금속 원소를 섞어 만든 고엔트로피 촉매(AI 이미지)

연구팀은 여러 원소를 혼합해 안정성을 높인 고엔트로피 산화물과 작동 과정에서 표면에 자연스럽게 형성되는 금속 합금 나노입자를 결합한 새로운 촉매 구조를 설계했습니다.

이 촉매는 암모니아 환경에서도 구조가 무너지지 않고, 암모니아를 수소로 분해하는 반응을 효과적으로 촉진했습니다.

(a)고엔트로피 촉매가 적용된 암모니아 연료 기반 PCFC 모식도 (b)고엔트로피 촉매 미세구조 및 원소 분포

연구팀은 원자 수준에서 반응 메커니즘을 계산하는 시뮬레이션 분석 결과, 고엔트로피 구조가 반응에 필요한 에너지 장벽을 낮추고 촉매 활성에 중요한 금속 나노입자 형성을 돕는다는 사실을 확인했습니다.

이를 적용한 연료전지는 섭씨 700도에서 1제곱센티미터당 2.04와트의 최대 출력밀도를 기록했습니다. 암모니아 기반 프로토닉 세라믹 연료전지 분야에서 세계 최고 수준의 성능입니다.

내구성도 크게 향상됐습니다. 섭씨 600도의 고온 환경에서 255시간 이상 안정적으로 작동했으며, 기존 촉매에서 나타나던 성능 저하 현상도 크게 줄었습니다.

이번 기술은 암모니아를 연료로 직접 사용하는 고효율 발전 시스템 구축에 활용될 수 있습니다. 장거리 수소 운송과 저장의 부담을 줄여 무탄소 발전소와 대규모 수소 에너지 인프라 상용화를 앞당길 것으로 기대됩니다.

KAIST 이강택 교수는 "고엔트로피 산화물과 합금 나노입자의 시너지로 성능과 내구성을 동시에 끌어올렸다"며 "암모니아 기반 무탄소 발전과 차세대 수소 에너지 시스템 상용화의 전환점이 될 것"이라고 말했습니다.

이번 연구 결과는 에너지·재료 분야 국제학술지, 나노-마이크로 레터스(Nano-Micro Letters)에 4월 17일 자로 실렸습니다.

(사진=KAIST)

김건교 취재 기자 | kkkim@tjb.co.kr