국립금오공과대학교(총장 곽호상)는 최시혁 기계공학과 교수 연구팀이 '귀금속 촉매 없는 프로톤 프로톤 전도성 세라믹 전해질 기반의 고성능 직접 암모니아 세라믹 연료전지 개발'에 성공했다고 18일 밝혔다.
최근 암모니아가 저장과 운송이 어려운 수소를 대체하기 위한 무탄소 수소 운반체(carbon-free hydrogen carrier)로 주목받고 있다. 암모니아는 400℃ 이상의 고온에서 99.5% 이상 질소와 수소로 분해되기 때문에 세라믹 연료전지에 외부 개질 없이 직접 연료로 사용하기에 적합하다.
그러나 직접 암모니아 연료전지(DAFC)에서 전력을 생성하려면 니켈(Ni) 기반 연료극 촉매가 암모니아를 분해해 수소를 공급해야 하는데 암모니아 분해가 충분히 이뤄지지 않으면, 전력 생성을 위한 수소가 부족해질 수 있다.
또 잔류 암모니아와 니켈 촉매의 화학적 반응으로 니켈 질화물(Ni3N)이 형성돼 연료극의 촉매 활성과 내구성이 저하된다. 이에 효율적인 암모니아 분해를 위해 루테늄(Ru)과 같은 귀금속 촉매를 연료극에 도입하는 연구가 많이 진행돼 왔다.
연구팀은 기존 연구들과는 다르게 가장 기본적인 연료극 구성인 니켈 촉매와 전해질만을 조합해 귀금속 촉매 없이도 효과적으로 암모니아를 분해할 수 있는 연료극을 제안했다. 이 연료극은 약 2㎛ 크기의 촉매 입자와 약 330㎛ 두께의 미세한 기공 구조를 가지고 있어 면적당 높은 촉매 활성 부위를 확보할 수 있도록 설계됐다. 이러한 독창적인 연료극 구조를 통해 암모니아 분해를 효과적으로 촉진, 기존 연료극과 비교해 기체 확산 손실을 최소화하면서도 높은 암모니아 전환 및 구조적 안정성을 달성할 수 있음을 증명했다.
연구팀이 개발한 '직접 암모니아 프로토닉 세라믹 연료전지'는 600℃와 500℃에서 1.14W/cm2 및 0.44W/cm2의 매우 높은 최대 전력 밀도를 달성하며, 기존 귀금속 촉매를 도입한 직접 암모니아 연료전지보다 뛰어난 성능을 구현했다. 특히, 500℃의 구동 온도 및 암모니아 연료 공급 조건에서 200시간 동안 열화 없이 장시간 구동되었고, 이후에도 연료극 미세구조의 변화나 니켈 질화물 형성 없이 높은 안정성을 유지했다.
최시혁 교수는 “암모니아는 무탄소 연료로 수소의 저장 및 운송의 한계점을 해결할 수 있는 유망한 솔루션이며, 이를 직접 활용한 연료전지는 탄소 중립을 실현할 수 있는 핵심 기술이 될 것”이라고 말했다.
제1저자로 참여한 윤지원(석박통합과정) 학생은 “암모니아 분해 촉진을 위한 촉매 개발에만 국한되어 있던 기존의 직접 암모니아 연료전지 연구 방향을 넘어 새로운 접근 방향을 제시한 의미 있는 연구다. 앞으로 높은 성능과 우수한 안정성을 모두 갖춘 세라믹 연료전지 실현을 목표로 지속적인 후속 연구를 위해 노력하겠다.”고 밝혔다.
과학기술정보통신부의 우수신진연구사업, 나노및소재기술개발사업, 미래수소원천기술개발사업, 그리고 KIST 주요사업의 지원으로 이뤄진 이번 연구성과는 최근 에너지 과학 분야 국제 학술지인 'ACS 에너지 레터스(Energy Letters)에 게재됐다. 연구는 미국 노스웨스턴 대학의 소시나 하일리 교수 연구팀과 공동으로 진행했다.
구미=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
