초록 ▼

□ 연구개요
- 수소연료전지(PEMFC)의 상용화에 있어 큰 문제점은 높은 가격이며, 연료전지 스택에서 백금촉매가 차지하는 가격 비중은 약 42%에 달함. 반면, 직접암모니아연료전지 (DAFC)는 촉매 활성이 높은 알칼리환경에서 구동되기 때문에 저렴한 비백금(ex: Fe-N-C)촉매 및 저가의 탄화수소계 고분자막을 사용할 수 있다는 장점이 있음. 또한, DAFC는 암모니아의 전기화학적 산화 반응을 통해 연료로 암모니아를 직접 사용하며, 120℃ 이하의 저온 구동을 통한 수송용에 있어 중요한 빠른 Start-up 특징을 가짐

□ 연구개요
- 수소연료전지(PEMFC)의 상용화에 있어 큰 문제점은 높은 가격이며, 연료전지 스택에서 백금촉매가 차지하는 가격 비중은 약 42%에 달함. 반면, 직접암모니아연료전지 (DAFC)는 촉매 활성이 높은 알칼리환경에서 구동되기 때문에 저렴한 비백금(ex: Fe-N-C)촉매 및 저가의 탄화수소계 고분자막을 사용할 수 있다는 장점이 있음. 또한, DAFC는 암모니아의 전기화학적 산화 반응을 통해 연료로 암모니아를 직접 사용하며, 120℃ 이하의 저온 구동을 통한 수송용에 있어 중요한 빠른 Start-up 특징을 가짐
- 글로벌 연구 동향을 살펴보면 암모니아를 연료로 하는 연료전지의 연구는 고온 구동(~750℃)의 고체산화물 연료전지(SOFC)를 포함하여 2022년 1월 기준 (Google Scholar) 총 609건으로, 연구 초기 단계이며, 무엇보다 PEMFC 대비 출력이 매우 낮은 상황임.
- DAFC 각 구성 소재 및 부품 간의 상호특성을 고려한 종합적인 시스템 관점에서, 암모니아 투과 저감, 전극 피독 완화, 촉매 활용률 향상을 위한 기술 개발을 통해 고출력 DAFC 구현을 위한 막-전극 접합체(MEA) 제조에 대한 원천기술 확보하는 것이 매우 필요함.

□ 연구 목표대비 연구결과
[연구 최종목표]
고출력 직접 암모니아 연료전지(DAFC)를 위한 막-전극 접합체 (MEA) 제조 원천기술 확보
(1) DAFC MEA 성능: 100 mW/㎠ 이상, (2) 암모니아 투과량 15% 이상 감소
1) DAFC MEA의 세계적 수준 성능 확보
- DAFC 성능을 향상시키기 위한 산화극의 전극 도포 방식, 산화극의 이오노머 비율, 산화극과 환원극의 촉매 로딩량 선정
- 상용 전해질막과 상용촉매를 사용했음에도 불구하고 개발 촉매 및 개발막을 사용한 세계 최고 성능보유 기관인 미국 델라웨어 대학교의 Yan 그룹 (410mw/cm²)을 제외하고는 가장 우수한 성능 (267 mw/cm²)을 달성하였음. 이는 목표 성능지표보다 167% 이상 향상된 수치임.
2) 암모니아 투과량 감소
- PTFE 분말의 환원극 도입과 전해질막 두께 조절을 통한 암모니아 투과량 31% 억제로, 목표 지표인 15%보다 두 배 이상 초과 달성 하였음.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
◦기술적(학술적) 측면: 현재 DAFC는 연구 초기의 재료 중심 개발단계임을 고려할 때, 시스템 관점에서 구성 소재 및 부품 간의 상호특성을 고려한 1) 암모니아 투과저감 기술 및 2) DAFC용 MEA제조 기술은 DAFC의 상용화를 위한 원천기술확보 관점에서 기술적 의미가 매우 큼. 확보한 기술을 바탕으로 DAFC 분야에서 선도적인 연구가 가능할 것으로 기대되고 본 기술은 저온 암모니아 연료전지 뿐 아니라 그린수소 생산을 위한 암모니아 전기분해 기술에 활용될 수 있으리라 기대됨.
◦경제·산업적 측면: 암모니아는 저렴한 액화/운반/저장의 비용(US$ 4.53/kg) 및 높은 에너지저장 밀도를 가지며, 연료전지의 연료 다변화를 위한 차세대 에너지 저장물질로 경제/산업적 측면에서 큰 이점이 있을 것이라 기대됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)