한국세라믹기술원·한국지질자원연구원과 공동연구… 고엔트로피 촉매로 세계 최고 수준 출력·장기 안정성 확보
KAIST 연구진이 암모니아를 직접 연료로 사용하면서 세계 최고 수준의 성능과 안정성을 구현한 차세대 연료전지 기술을 개발했다. KAIST는 기계공학과 이강택 교수와 배중면 교수 연구팀이 한국세라믹기술원 신태호 박사, 한국지질자원연구원 노기민 박사 공동 연구팀과 함께 암모니아 기반 프로토닉 세라믹 연료전지의 성능과 내구성을 높이는 촉매 기술을 개발했다고 20일 밝혔다. 이번 연구는 수소 저장·운송의 한계를 보완할 수 있는 암모니아 기반 무탄소 발전 기술로 제시됐다.
암모니아는 액체 형태로 저장과 운송이 쉬워 차세대 수소 운반체로 주목받고 있다. 질소와 수소로만 구성돼 있어 발전 과정에서 이산화탄소를 거의 배출하지 않는 무탄소 연료로도 평가된다. 특히 수소는 부피 에너지 밀도가 낮고 압축·액화 과정이 필요해 저장과 운송 비용이 높다는 한계가 있어, 기존 인프라 활용이 가능한 암모니아가 대안으로 부상하고 있다. 다만 암모니아를 연료전지에 직접 사용할 경우 기술적 문제가 발생한다. 연료전지 내부의 니켈 기반 소재가 암모니아와 반응해 손상될 수 있고, 암모니아 분해 반응 속도가 충분히 빠르지 않아 성능 저하와 수명 단축으로 이어질 수 있다. 연구팀은 암모니아 환경에서도 높은 반응 활성과 장기 안정성을 확보할 수 있는 촉매 설계가 필요하다고 보고 연구를 진행했다.
연구팀은 여러 원소를 혼합해 구조 안정성과 성능을 높이는 고엔트로피 산화물 촉매를 설계했다. 여기에 구동 과정에서 촉매 표면에 자발적으로 형성되는 금속 나노입자를 결합해 새로운 촉매 구조를 구현했다. 이 촉매는 암모니아 환경에서도 구조가 쉽게 무너지지 않고, 암모니아를 수소로 분해하는 반응을 효과적으로 촉진하는 것으로 나타났다. 고엔트로피 촉매에는 망간과 크롬 등이 포함돼 암모니아 흡착과 분해를 돕는 산성 부위를 강화하고, 니켈·철·구리 등 환원 가능한 금속 성분은 운전 중 합금 나노입자로 형성돼 촉매 활성을 높인다. 연구팀은 밀도범함수이론 분석을 통해 고엔트로피 산화물 구조가 암모니아 분해 반응에 필요한 에너지 장벽을 낮추고, 금속 입자 형성을 촉진한다는 사실을 확인했다.
연구팀이 개발한 촉매를 적용한 암모니아 기반 프로토닉 세라믹 연료전지는 700℃에서 단위면적 1㎠당 2.04W의 최대 출력밀도를 기록했다. 이는 암모니아 기반 프로토닉 세라믹 연료전지 분야에서 세계 최고 수준의 성능으로 제시됐다. 또한 600℃의 가혹한 환경에서도 255시간 이상 안정적으로 작동하며 기존 촉매에서 나타나던 성능 열화 문제를 크게 개선했다. 연구팀은 고엔트로피 산화물 구조와 표면에 형성된 Ni–Fe–Cu 합금 나노입자의 시너지 효과가 암모니아 분해 반응을 촉진하고, 기존 니켈 기반 연료극에서 발생하던 질화와 입자 조대화 문제를 억제한 것으로 분석했다.
이번 연구는 탄소중립 전환과 함께 안정적인 무탄소 전력 공급 기술이 중요해지는 흐름 속에서 추진됐다. 특히 AI 기술 발전으로 데이터센터 전력 수요가 급증하면서, 고효율·친환경 전력 생산 기술에 대한 관심이 커지고 있다. 연구팀은 암모니아 기반 연료전지가 기존 수소 기반 시스템의 저장·운송 문제를 보완하면서도 높은 성능을 구현할 수 있는 전력 생산 기술이 될 수 있다고 설명했다.
암모니아는 이미 전 세계적으로 저장·운송 인프라가 구축돼 있어 대규모 전력 생산 시스템으로 확장하기에 유리하다. 이번 기술은 향후 발전용 연료전지 시스템뿐 아니라 AI 데이터센터 전력 공급, 분산형 발전원, 산업용 친환경 전력 시스템 등에 적용될 가능성이 있다. 연구팀은 앞으로 셀 대면적화와 장기 내구성 향상 연구를 이어가며 실제 시스템 적용 가능성을 검토할 계획이다.
이강택 KAIST 교수는 고엔트로피 산화물과 합금 나노입자의 시너지 구조를 통해 암모니아 연료전지의 성능과 내구성을 동시에 향상시켰다고 밝혔다. 이어 이번 연구가 암모니아 기반 무탄소 발전 기술과 차세대 수소 에너지 시스템 상용화를 앞당기는 계기가 될 것이라고 말했다. 이번 연구에는 KAIST 기계공학과 김동연 박사, 한국세라믹기술원 박동재 연구원, 한국지질자원연구원 정인철 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 ‘Nano-Micro Letters’에 4월 17일 게재됐다. 논문명은 ‘Entropy-Modulated Oxide–Metal Catalyst Architectures for Direct Ammonia Protonic Ceramic Fuel Cells’다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업, 글로벌 기초연구실 지원사업, 과학기술원 InnoCORE 사업, 한국지질자원연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐다. KAIST 공동 연구팀의 이번 성과는 암모니아를 직접 활용하는 차세대 무탄소 발전 기술의 가능성을 실험적으로 제시하고, 고엔트로피 촉매 설계 전략을 에너지 변환 시스템으로 확장한 사례로 정리된다.
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