최시혁 금오공대 기계공학과 교수(왼쪽)와 윤지원 학생. 사진=금오공대 제공

[구미(경북)=데일리한국 김원균 기자] 금오공과대학교는 최시혁 기계공학과 교수 연구팀이 '귀금속 촉매 없는 고성능 직접 암모니아 세라믹 연료전지 개발'에 성공했다고 18일 밝혔다. 

금오공대에 따르면, 암모니아는 최근 저장과 운송이 어려운 수소를 대체하기 위한 무탄소 수소 운반체로 주목받고 있다. 

400℃ 이상의 고온에서 99.5% 이상 질소와 수소로 분해되기 때문에 세라믹 연료전지에 외부 개질 없이 직접 연료로 사용하기에 적합하다. 

하지만 직접 암모니아 연료전지에서 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. 

금오공대 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 2μm 크기의 촉매 입자와 약 330μm 두께의 미세한 기공 구조를 가지고 있어 면적당 높은 촉매 활성 부위를 확보할 수 있도록 설계됐다. 

이러한 독창적인 연료극 구조를 통해 암모니아 분해를 효과적으로 촉진하여 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, 기존의 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. 

이를 통해, 암모니아가 수소를 대체할 유망한 에너지원임을 확인했으며, 귀금속 촉매 없이 니켈 촉매만으로 우수한 성능과 안정성을 확보할 수 있음을 입증했다. 

또 실제 구동 환경에서 NOx(질소산화물)와 같은 유해 물질이 검출되지 않아 환경오염을 최소화할 가능성도 확인됐다.

관련 연구의 논문은 에너지 과학 분야의 국제 학술지인 'ACS Energy Letters'에 지난 8일자로 게재됐다. 

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 밝혔다.