▲ (왼쪽부터) 심준형 기계공학부 교수(연구책임자, 교신저자), 정헌준(제1저자)

수소는 미래 청정 에너지원으로 주목받고 있으나, 수소 액화 온도는 영하 253도 초극 저온으로 거의 ‘절대 온도 0도’에 가깝기에 저장 및 운송이 매우 어려워 수소 공급 인프라 구축에 걸림돌이 되고 있다.

이러한 상황에서 최근 수소 대체 연료로 ‘암모니아’가 주목받고 있다. 암모니아는 질소, 수소로만 이루어진 소위 ‘카본-프리(Carbon-Free)’ 친환경 물질이며, 수요가 많아 생산 및 공급 인프라도 잘 갖춰져 있다. 암모니아 액화점은 영하 33도로 상용 냉동 온도면 충분하고, 액상에서는 부피당 에너지 밀도가 오히려 수소 대비 50% 이상 높다.

최근 국내 기업이 미국 암모니아 연료 전지 기업 ‘아모지(Amogy)’에 5천만 달러 이상 투자하는 등, 암모니아 연료전지에 대한 사회적 관심이 치솟고 있는 실정이다.

그 가운데 암모니아를 연료로 사용하는 고성능 세라믹 연료전지가 국내 연구진에 의해 개발되었다. 고려대학교 공과대학(학장 이해근) 기계공학부 심준형 교수 연구팀이 프로톤 세라믹 기술과 나노 촉매 기술을 이용하여 세라믹 연료전지를 암모니아 연료로 저온 구동하는 데 성공했다.

▲ 건물용, 발전용 에너지원으로서의 암모니아 프로톤 세라믹 연료전지

세라믹 연료전지는 차세대 건물 에너지원과 가스터빈 발전소를 대체할 수 있는 기술로 크게 주목받고 있으나, 저장과 수송 문제로 수소 인프라 구축에 아직 한계점이 많다는 이유로 현재까지 대부분의 건물/발전소용 연료전지는 메탄 기반 도시가스에 의존하고 있었다. 그러나 이러한 방식은 이산화탄소가 배출되는 문제를 안고 있었다.

이에 심 교수 연구팀은 수소 이온 전도성 프로톤 세라믹 소재를 박막으로 제작하고, 암모니아 분해 효과가 뛰어난 나노 활촉매를 균일하게 연료극에 도포하는 기술을 적용해 발전 효율을 최대 2배까지 높이는 데 성공했다. 특히 세라믹 연료전지 구동 온도로서는 매우 낮은 온도인 섭씨 500도 이하에서 성능을 크게 높였다. 최대 출력은 0.34W/㎠로 상용 도시가스 연료전지 출력을 뛰어넘는 수치이다.

세라믹 연료전지가 비싸고 수명이 짧은 것은 섭씨 800도 이상의 고온 환경에서 구동하기 때문인데, 이런 높은 온도를 견디는 고가 재료를 써야 하고, 교체도 자주 해줘야 하는 맹점이 있었다. 섭씨 500도 이하 저온 구동이 가능해지면 이런 문제를 한꺼번에 해결할 수 있다.

심 교수 연구팀은 이런 문제점을 간파하여 실제로 섭씨 500도에서 암모니아 세라믹 연료전지의 우수한 장기 내구성을 확인하였다.

심 교수는 “이번 연구를 통해 암모니아 세라믹 연료전지가 도시가스 기반 상용 SOFC(고체 산화물 연료전지)를 대체할 수 있는 가능성을 확인했다. 암모니아의 경제성과 친환경성을 생각하면 미래 청정 에너지원으로서 가치가 매우 높다”라며 연구 성과의 의의를 밝혔다.

한편, 연구팀 소속 정헌준 박사 과정 연구원이 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 세계적 저명 학술지인 ‘스몰’(Small (IF :1５.153), JCR 분야 상위 6.5%)‘에 6월 1일 자 게재됐으며, 본 연구는 한국연구재단 미래수소혁신기술개발사업의 일환으로 수행됐다.    /공과대학신문

* 논문명 : High-Performance Ammonia Protonic Ceramic Fuel Cells Using a Pd Inter-Catalyst