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[IT뉴스]포스텍, 암모니아 직접 사용하는 연료전지 기술 개발…전지 발전 효율과 수명 동시 확보

온카뱅크관리자

2025-10-16 09:27:28

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 포스텍(POSTECH)은 김원배 화학공학과·배터리공학과 교수, 화학공학과 통합과정 하중섭 씨 연구팀이 암모니아를 직접 연료로 사용하는 '고체산화물 연료전지(DA-SOFC)' 성능과 내구성을 동시에 높이는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다. 수소 대신 암모니아를 바로 연료로 사용하는 이 기술은 탄소 배출 없는 전력 생산의 길을 열 것으로 기대된다.
 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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 <img alt="김원배 포스텍 교수" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202510/16/etimesi/20251016091740128ygrr.jpg" data-org-width="375" dmcf-mid="HTqyVLVZD3" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img2.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202510/16/etimesi/20251016091740128ygrr.jpg" width="658">
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 김원배 포스텍 교수
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 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 성능이 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. 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 도와 전체 반응 효율을 높일 수 있다. 
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 <img alt="암모니아 연료 고체 산화물 연료전지 구조 및 반응 메커니즘 모식도" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202510/16/etimesi/20251016091741427sbeh.jpg" data-org-width="486" dmcf-mid="XDJ6mXmesF" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202510/16/etimesi/20251016091741427sbeh.jpg" width="658">
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 암모니아 연료 고체 산화물 연료전지 구조 및 반응 메커니즘 모식도
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 실험 결과, 바륨이 도입된 전극은 기존 전극보다 약 25% 높은 최대 전력밀도 1.02W/㎠(단위 면적당 와트)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
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