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고체산화물 연료전지(SOFC)는 연료의 화학에너지를 전기로 바꾸는 친환경 발전 장치다. 가장 흔히 쓰이는 수소는 극저온(-253℃)에서 액화하거나 고압으로 저장해야 해, 비용과 인프라가 많이 든다. 반면 암모니아는 상온에서도 액화가 쉽고 에너지 밀도가 높아 저장과 운송이 간편하며, 탄소를 포함하지 않아 연소 시 이산화탄소가 발생하지 않는다.
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김원배 포스텍 교수


암모니아를 연료로 사용하려면 전극 표면에서 암모니아가 빠르게 분해돼야 하고, 고온 부식 환경에서도 전극이 버텨야 한다. 그러나 기존 니켈 전극은 암모니아와 반응하면서 금속 입자가 뭉치고 전극이 갈라져 성와토스코리아 주식
능이 저하되는 문제가 있었다.
이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 '바륨(Ba)'과 '철(Fe)'을 활용했다. 바륨은 강한 염기성을 가진 물질이다. 철 나노입자에 전자를 공급해 암모니아 속 질소 원자를 쉽게 떼어내는 역할을 한다. 암모니아가 전기로 변하기 위해서는 질소와 수소로 분해되어야 하는데, 그중 질소를 떼어내는 과정이 가장 어렵다. 야마토카지노
바륨은 이 과정을 촉진해 반응 속도를 높이는 것이다.
또 바륨은 전극 격자 구조를 단단하고 넓게 만들어 철 나노입자가 고르게 자리 잡을 수 있는 환경을 제공한다. 철 나노입자는 전극 표면에서 촉매 역할을 하며, 암모니아가 전기로 바뀌는 반응을 돕는다. 게다가 바륨이 표면의 염기성을 강화해 반응물이 철 나노입자 표면에서 더 잘 분해되도록 도엠머니
와 전체 반응 효율을 높일 수 있다.



암모니아 연료 고체 산화물 연료전지 구조 및 반응 메커니즘 모식도


실험 결과, 바륨이 도입된 전극은 기존 전극보다 약 25% 높은 최대 전력밀도 1.02W/㎠(단위 면적당 와트)잡주는없다
를 기록했다. 또 내구성도 뛰어나 200시간 연속 운전에서도 성능 저하 없이 안정성을 유지했으며, 특히 투입된 암모니아가 모두 반응해 하나도 남지 않는 100% 분해 효율을 달성했다.
이번 연구는 복잡한 수소 저장·운송 없이, 전지 발전 효율과 수명을 함께 확보했다는 점에서 의의가 크다. 김원배 교수는 “바륨 도입과 철 나노입자 형성을 결합은 연구팀의 전극 촉매 설계는 암모니아 연료전지 성능과 내구성을 동시에 끌어올릴 성과”라며 “암모니아의 손쉬운 저장·운송 특성을 고려하면, 이번 기술은 탄소 제로 전력 생산을 실현하는 핵심 기반 기술이 될 것”이라고 했다.
산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원, 과학기술정보통신부 중견연구사업과 그린 암모니아 사이클링 선도연구센터의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com