KAIST, 차세대 암모니아 연료전지 촉매 개발

[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 암모니아를 별도의 추출 과정 없이 직접 연료로 사용하면서도 세계 최고 수준의 전력 생산 성능과 내구성을 동시에 뽑아낸 연료전지 기술을 확보했다.

한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 이강택·배중면 교수 연구팀이 한국세라믹기술원, 한국지질자원연구원과 암모니아 기반 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC)의 전력 출력과 장기 작동 내구성을 획기적으로 끌어올리는 촉매 기술을 개발했다고 20일 밝혔다.

암모니아는 이산화탄소를 배출하지 않는 청정 연료로, 액화 수소보다 액화가 쉽고 수소 저장 밀도가 높아 기존 화학 인프라를 그대로 쓸 수 있는 최적의 에너지 운반체다.

기존 연료전지 시스템은 고순도 수소만을 연료로 고집해야 하는 한계가 있었다. 암모니아를 전지에 직접 주입하면 전극 소재인 니켈 기반 소재를 부식시키고 질화 현상을 유발해 전지 수명을 갉아먹는 고질적인 난제가 존재했다.

이에 연구팀은 여러 전이금속 원소를 정밀하게 섞어 구조적 안정성을 극한으로 높이는 고엔트로피 페로브스카이트 산화물 구조를 설계해 이를 해결했다. 이 촉매는 고온의 구동 환경에서 표면에 '니켈-철-구리' 합금 나노입자를 자발적으로 뿜어내 형성하는 메커니즘을 가진다.

연구팀이 밀도범함수이론(DFT) 계산으로 검증한 결과 고엔트로피 구조는 암모니아가 수소로 쪼개지는 분해 반응의 활성화 에너지 장벽을 낮추는 것으로 규명됐다. 자발적으로 형성된 합금 나노입자는 값비싼 귀금속 촉매를 전혀 쓰지 않고도 기존 단일 금속 촉매를 압도하는 암모니아 분해 성능을 뿜어냈다.

이번 촉매 기술이 적용된 연료전지는 700℃ 작동 환경에서 단위면적당 2.04W라는 최대 출력밀도를 달성했다. 이는 손톱만 한 작은 면적에서도 고출력 전기를 뽑아낼 수 있음을 뜻하는 수치다.

600℃의 가혹한 직접 주입 구동 환경 속에서도 255시간 이상 전압 저하 없이 연속 구동하는 고내구성도 실증했다.

이 기술은 대규모 전력을 집어삼키는 글로벌 빅테크 기업들의 AI 데이터센터 전력 수급 문제를 해결할 구원투수가 될 전망이다. 초고압 수소 저장 탱크와 송유관 매설 등 천문학적인 초기 인프라 비용 부담 없이 상용화된 암모니아 유통망을 타고 분산형 친환경 발전 설비에 즉각 투입할 수 있기 때문이다.

이강택 교수는 "다양한 원소를 하나의 고엔트로피 구조에 균일하게 녹여내고 운전 조건에서 최적의 합금 나노입자가 자발적으로 튀어나오도록 제어하는 공정 최적화가 가장 큰 고비였다"면서도 "이번 성과는 수소 인프라 교착 상태를 깨부수고 암모니아 직접 활용 무탄소 발전 시스템의 상용화를 대폭 앞당길 것"이라고 설명했다.

연구팀은 향후 셀 대면적화 팩터 확보와 초장기 안정성 검증을 거쳐 실제 산업계 고부하 전력 시스템에 이식할 계획이다.