【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수와 화학공학과 통합과정 하중섭 씨 연구팀이 암모니아를 직접 연료로 사용하는 ‘고체산화물 연료전지(DA-SOFC, Direct Ammonia Solid Oxide Fuel Cell)’의 성능과 내구성을 동시에 향상시키는 기술을 개발했다.
 ▲ Ba 치환 격자 제어를 통한 수소 환원 시 Fe 나노입자 용출 모식도기존 전극 소재에 바륨을 넣으면 마치 풍선에 공기를 넣듯 격자가 팽창한다. 이때 수소 분위기에서 철 입자들이 표면으로 나와 박힌다. 바륨이 들어간 경우 철 입자가 더 작고 균일하게 분포되어 성능이 향상된다. © 포스텍 |
이번 연구 성과는 현지시각으로 10월 15일, 국제 학술지 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)에 게재됐다.
‘고체산화물 연료전지(SOFC)’는 연료의 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 친환경 발전 장치로, 탄소 배출 없는 청정 에너지 기술로 주목받고 있다. 그러나 현재 가장 널리 쓰이는 수소 연료는 극저온(-253℃) 액화 또는 고압 저장이 필요해 높은 비용과 복잡한 인프라를 요구한다. 이에 비해 암모니아는 상온에서도 액화가 쉽고, 에너지 밀도가 높으며 탄소를 포함하지 않아 연소 과정에서 이산화탄소가 발생하지 않는다는 장점이 있다.
하지만 암모니아를 연료로 직접 사용하는 경우, 전극 표면에서 암모니아가 충분히 빠르게 분해돼야 하며 고온 환경에서도 전극이 손상되지 않아야 한다. 기존의 니켈(Ni) 기반 전극은 반응 과정에서 금속 입자가 뭉치거나 갈라지는 문제가 발생해 성능 저하가 불가피했다.
김원배 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘바륨(Ba)’과 ‘철(Fe)’을 결합한 새로운 전극 촉매 설계를 제시했다. 바륨은 강한 염기성을 지닌 물질로, 철 나노입자에 전자를 공급해 암모니아 내 질소(N) 원자를 쉽게 떼어내도록 돕는다. 이는 암모니아 분해 반응에서 가장 어려운 질소 제거 단계를 촉진함으로써 반응 속도를 크게 높인다.
 ▲ 암모니아 연료 고체 산화물 연료전지 구조 및 반응 메커니즘 모식도암모니아(NH₃)가 전극에 들어오면 두 단계를 거친다:1단계: 암모니아가 수소와 질소로 분해 (암모니아 분해 반응)2단계: 분해된 수소가 산소와 만나 물이 되면서 전기 생산 (수소 산화 반응)이 과정에서 바륨이 들어간 철 입자가 촉매 역할을 해서 반응을 빠르게 만든다. 특히 질소를 떼어내는 어려운 단계를 바륨이 도와주어 전체 성능이 크게 향상된다. © 포스텍 |
또한 바륨은 전극의 격자 구조를 안정화해 철 나노입자가 균일하게 분포할 수 있도록 하며, 표면의 염기성을 강화해 암모니아 분해 효율을 극대화했다. 철 나노입자는 전극 표면에서 촉매로 작용해 암모니아를 전기에너지로 전환하는 반응을 적극적으로 유도한다.
실험 결과, 바륨이 도입된 전극은 기존 전극 대비 약 25% 향상된 최대 전력밀도 1.02W/㎠를 기록했으며, 200시간 연속 운전에서도 성능 저하 없이 안정적으로 구동됐다. 특히 투입된 암모니아를 100% 분해하는 완전 반응 효율을 달성해 실용화 가능성을 높였다.
김원배 교수는 “바륨 도입과 철 나노입자 형성을 결합한 전극 설계는 암모니아 연료전지의 성능과 내구성을 동시에 향상시킨 획기적인 성과”라며 “암모니아의 손쉬운 저장·운송 특성을 고려할 때, 이번 기술은 탄소 제로 전력 생산의 핵심 기반이 될 것”이라고 강조했다.
이번 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원과 과학기술정보통신부 중견연구사업, 그리고 ‘그린 암모니아 사이클링 선도연구센터’의 지원을 받아 수행됐다.
<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>
POSTECH Research Team Develops Technology to Simultaneously Improve the Performance and Durability of Direct Ammonia Fuel Cells
A research team led by Professor Wonbae Kim of the Department of Chemical Engineering and Battery Engineering at Pohang University of Science and Technology (POSTECH) and Ha Jung-seop, a student in the Department of Chemical Engineering, has developed a technology to simultaneously improve the performance and durability of a Direct Ammonia Solid Oxide Fuel Cell (DA-SOFC), which uses ammonia as a direct fuel.
These research findings were published in the international journal Chemical Engineering Journal on October 15 (local time).
Solid oxide fuel cells (SOFCs) are eco-friendly power generation devices that convert the chemical energy of fuel into electrical energy, attracting attention as a clean energy technology with zero carbon emissions. However, hydrogen, the most widely used fuel, requires cryogenic liquefaction (-253°C) or high-pressure storage, resulting in high costs and complex infrastructure. In contrast, ammonia offers the advantages of being easily liquefied even at room temperature, having a high energy density, and containing no carbon, eliminating carbon dioxide emissions during combustion.
However, when using ammonia directly as a fuel, ammonia must be decomposed sufficiently quickly on the electrode surface and remain intact even at high temperatures. Conventional nickel-based electrodes inevitably suffer from metal particles clumping or cracking during the reaction, leading to performance degradation.
Professor Kim Won-bae's research team proposed a novel electrode catalyst design combining barium (Ba) and iron (Fe) to overcome these limitations. Barium, a strongly alkaline material, supplies electrons to iron nanoparticles, facilitating the removal of nitrogen (N) atoms from ammonia. This accelerates the most difficult step in the ammonia decomposition reaction, significantly increasing the reaction rate.
Furthermore, barium stabilizes the electrode lattice structure, ensuring the uniform distribution of iron nanoparticles. It also enhances the alkalinity of the surface, maximizing ammonia decomposition efficiency. Iron nanoparticles act as catalysts on the electrode surface, actively inducing the reaction that converts ammonia into electrical energy.
Experimental results showed that the barium-infused electrode achieved a maximum power density of 1.02 W/cm2, approximately 25% higher than the conventional electrode, and operated stably for 200 hours without any degradation. Notably, it achieved complete reaction efficiency, decomposing 100% of the injected ammonia, increasing its potential for commercialization.
Professor Kim Won-bae emphasized, "The electrode design combining barium incorporation and iron nanoparticle formation is a groundbreaking achievement that simultaneously enhances the performance and durability of ammonia fuel cells. Considering ammonia's easy storage and transportation characteristics, this technology will serve as a key foundation for carbon-free power generation."
This research was supported by the Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) under the Ministry of Trade, Industry and Energy, the Ministry of Science and ICT's Mid-career Research Program, and the Green Ammonia Cycling Leading Research Center.
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