김원배 포스텍 화학공학과·배터리공학과 교수 연구진이 암모니아를 직접 연료로 사용하는 '고체산화물 연료전지'의 성능과 내구성을 동시에 높이는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
고체산화물 연료전지(SOFC)는 연료의 화학에너지를 전기로 바꾸는 친환경 발전 장치다. 다만 SOFC에 흔히 쓰이는 수소는 극저온에서 액화하거나 고압으로 저장해야 해 비용이 많이 든다. 반면 암모니아는 상온에서도 액화가 쉽고 에너지 밀도가 높아 저장과 운송이 간편하며, 탄소를 포함하지 않아 연소 시 이산화탄소가 발생하지 않는다.
연구진은 바륨과 철을 활용해 암모니아를 연료로 사용하는 SOFC를 설계했다. 바륨은 강한 염기성을 가진 물질로, 철 나노입자에 전자를 공급해 암모니아 속 질소 원자를 쉽게 떼어내는 역할을 한다. 암모니아가 전기로 변하기 위해서는 질소와 수소로 분해되어야 하는데, 바륨이 질소를 떼어내는 과정을 촉진해 반응 속도를 높인다. 또 바륨은 전극 격자 구조를 단단하게 넓게 만들어 철 나노입자가 고르게 자리 잡을 수 있도록 한다.
철 나노입자는 전극 표면에서 촉매 역할을 하며, 암모니아가 전기로 바뀌는 반응을 돕는다. 여기에 바륨이 표면의 염기성을 강화해 반응물이 철 나노입자 표면에서 더 잘 분해되도록 돕는다.
그 결과, 바륨이 도입된 전극은 기존 전극보다 약 25% 높은 최대 전력밀도를 기록했다. 내구성도 뛰어나 200시간 연속 운전에서도 성능 저하 없이 안정성을 유지했고, 암모니아가 모두 쓰여 하나도 남지 않았다.
김원배 교수는 "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 전했다.
연구 결과는 '화학 공학 저널(Chemical Engineering Journal)'에 지난 15일(현지 시각) 게재됐다.
참고 자료
Chemical Engineering Journal(2025), DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168167