무탄소 에너지 전환을 위한 직접 암모니아 연료전지 = Direct Ammonia Fuel Cells for Carbon-Free Energy Conversion

국문 초록 (Abstract)

암모니아는 다가올 탄소중립 사회에서 장거리 운송 및 저장의 용이성 측면에서 유망한 수소 저장물질 및 직접 무탄소 연료로 주목받고 있다. 특히, 별도의 크래킹 과정을 거치지 않고 암모니아를 직접 연료로 사용하는 직접 암모니아 연료전지(Direct Ammonia Fuel Cell; DAFC)는 고순도 수소 생산에 소모되는 추가 에너지를 제거함으로써 시스템 구조를 단순화하고 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 높은 잠재력을 지닌다. 그러나 저온 작동 조건(100 o C 이하)의 DAFC는암모니아 산화 반응(Ammonia Oxidation Reaction; AOR)의 복잡한 반응 메커니즘과 촉매 표면에서의 중간 생성물(Nads, NOads)의 비가역적 흡착에 따른 촉매 피독 현상으로 인해 낮은 전력밀도가 문제가, 고온 작동 조건(700-900 o C)에서는 장기 구동 시 촉매의 소결 및 질화로 인한내구성 문제가 제기되며, 이는 상용화를 위한 다양한 기술적 도전 과제로 작용한다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위한 최근의 촉매 및 전극 소재 개발 동향을 고찰하였다. 특히, 고성능 직접 암모니아 음이온교환막 연료전지(DA-AEMFC) 구현을 위한 전극 구조 및 시스템 설계 전략을 종합적으로 제시하고자 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With its high hydrogen density, storability, and ease of transportation, ammonia has emerged as a key candidate for both hydrogen storage and direct use as a carbon-free fuel in future carbon-neutral energy systems. Among various technologies, direct ammonia fuel cells (DAFCs), which operate without the need for upstream hydrogen reforming, are particularly promising due to their simplified system configuration and potential for enhanced energy efficiency by avoiding the energy-intensive process of hydrogen purification. Nevertheless, DAFCs operating under low-temperature conditions (~100 o C) face critical challenges, primarily stemming from the sluggish kinetics of the ammonia oxidation reaction (AOR) and the catalyst poising caused by the irreversible adsorption of nitrogen-based intermediates (Nads and NOads).
At high-temperature conditions (700-900 o C), however, the problem of the catalyst durability arises from nitridation and sintering during long-term operation. These issues significantly hinder power output and remain obstacles to practical deployment. This paper provides an over-view of recent developments in catalysts and electrode materials aimed at addressing these limitations and proposes strategic approaches for electrode architecture and system design toward realizing high-performance direct ammonia anion exchange membrane fuel cells (DA-AEMFCs).