"수소 없이 암모니아로 전기 만든다" 연료전지 기술 개발

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 포스텍(포항공과대학교) 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수와 화학공학과 통합 과정 하중섭씨 연구팀이 수소 없이 암모니아를 직접 연료로 사용해 '고체 산화물 연료 전지(DA-SOFC)' 성능과 내구성을 동시에 높이는 기술을 개발했다.

이 기술은 탄소 배출 없이 전력을 생산해 지난 15일(현지 시각) '케미컬 엔지니어링 저널'에 게재됐다.

'고체 산화물 연료 전지'는 연료의 화학 에너지를 전기로 바꾸는 친환경 발전 장치다.
 
가장 흔히 쓰이는 수소는 극저온(-253도)에서 액화나 고압으로 저장해야 하기 때문에 비용과 인프라가 많이 든다.
 
반면 암모니아는 상온에도 액화가 쉽고 에너지 밀도가 높아 저장·운송이 간편하고, 탄소를 포함하지 않아 연소 때 이산화탄소가 발생하지 않는다.

암모니아를 연료로 사용하려면 전극 표면에서 암모니아가 빠르게 분해해야 하고, 고온 부식 환경에도 전극이 버텨야 한다. 그러나 애초의 니켈 전극은 암모니아와 반응하면서 금속 입자가 뭉치고 전극이 갈라져 성능이 저하되는 문제가 있었다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 '바륨(Ba)'과 '철(Fe)'을 활용했다.
 
바륨은 강한 염기성을 가진 물질로, 철 나노 입자에 전자를 공급해 암모니아 속 질소 원자를 쉽게 떼어내는 역할을 한다.
 
암모니아가 전기로 변하기 위해 질소·수소로 분해해야 하는데, 그중 질소를 떼어내는 과정이 가장 어렵다. 바륨은 이 과정을 촉진해 반응 속도를 높인다.

또 바륨은 전극 격자 구조를 단단하고 넓게 만들어 철 나노 입자가 고르게 자리잡을 수 있는 환경을 제공한다.
 

철 나노 입자는 전극 표면에서 촉매 역할을 하며, 암모니아가 전기로 바뀌는 반응을 돕는다.

실험 결과, 바륨이 도입된 전극은 애초의 전극보다 25% 높은 최대 전력 밀도 1.02W/㎠(단위 면적 당 와트)를 기록했다.
 
또 내구성도 뛰어나 200시간 연속 운전에도 성능 저하 없이 안정성을 유지하고, 특히 투입된 암모니아가 모두 반응해 하나도 남지 않는 100% 분해 효율을 달성했다.

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

김원배 포스텍 교수는 "바륨 도입과 철 나노 입자 형성 결합과 전극 촉매 설계는 암모니아 연료 전지 성능과 내구성을 동시에 끌어 올린 성과"라며 "암모니아의 손쉬운 저장·운송 특성을 고려하면, 이번 기술은 탄소 제로 전력 생산을 실현하는 핵심 기반 기술이 될 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원, 과학기술정보통신부 중견 연구와 그린 암모니아 사이클링 선도연구센터 지원을 받아 수행했다.


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