수소연료전지 전문기업 에이치앤파워(대표 강인용)는 최근 한국기계연구원과 공동 수행 중인 산업계지원형 기본사업(ACE과제)을 통해 3kW급 고체산화물 연료전지(SOFC)시스템에 암모니아를 직접 공급해 100시간 이상 연속운전에 성공했다고 밝혔다.

직접암모니아 연료전지(DAFC)는 별도의 외부 수소 추출설비 없이 SOFC 내부의 열로 암모니아를 분해하며 발전해 에너지 전환단계가 줄어서 시스템 고효율 달성에 유리하고 이산화탄소를 배출하지 않는 무탄소 발전기술이다.

양 기관은 지난해 1차 협력을 통해 암모니아 직접투입 시험운전으로 DAFC의 구현가능성을 확인했다. 올해 진행된 2차 협력에서는 연료 공급부터 시동, 정격운전, 내구성 등 실제 운전 전과정을 검증했다. 이때 에이치앤파워는 부품 최적화와 제어·시스템 통합을, 한국기계연구원은 시동장치와 운전조건 최적화, AI 건전성 기술을 맡았다.

암모니아는 불이 잘 붙지 않아 연소가 불안정하며 분해되지 않은 채 연소되면 질소산화물(NOx)이 많이 발생한다. 부품질화에 따른 수명저하도 난제다. 이에 따라 양 기관은 전기 가열식 암모니아 분해장치를 적용해 시동과정에서 암모니아를 연소해 역화없이 암모니아만으로 정격출력에 도달했다. 또한 스택에서 반응하고 남은 가스만으로 열을 공급하는 운전조건을 찾아 버너연료 없이 3.1kW 출력을 확인했다.

지난 7월 내구시험에서는 평균 3.18kW 출력으로 100시간 이상 연속 운전하는 동안 출력 저하가 거의 나타나지 않았다. 기계연구원이 개발한 전기가열식 암모니아 분해장치(시동장치)는 약 19분만에 전환율 85%에 도달하고 최대 99% 이상의 전환율을 달성했으며 AI 기반 이상감지 알고리즘 검증도 시작됐다.

에이치앤파워는 ‘NG-암모니아 하이브리드 SOFC’ 기술도 특허를 출원했다. 암모니아 공급인프라가 갖춰지기 전에는 도시가스로, 공급이 가능해지면 암모니아로 연료를 전환할 수 있어 기존 천연가스 SOFC 플랫폼을 유지한 채 단계적으로 무탄소 발전에 진입할 수 있다.

최종 목표는 점화까지 암모니아에서 얻은 수소로 대체해 암모니아 하나로 시동부터 발전까지 수행하는 ‘원퓨얼(One-fuel)’ 시스템이다. 시스템 구축을 위해 ‘저압 암모니아 연료 공급 SOFC’ 특허를 이미 확보했으며 이번 과제를 통해 ‘암모니아 연료기반 시동을 위한 열분해장치’ 관련 원천특허도 추가로 확보할 계획이다.

강인용 에이치앤파워 대표는 “지난해 가능성을 확인한 DAFC가 이번 실증으로 장시간 운전 가능한 실용기술임을 입증했다”라며 “하이브리드기술로 시장진입문턱을 낮추고 DAFC를 완성하여 선박, 암모니아 인프라 시설 등 무탄소 분산전원 시장을 선도하겠다”고 말했다.

한편 양 기관은 버너와 열분해장치 일체화를 통한 시동전력 최소화, 장기 내구성 검증 등을 수행한 뒤 올해 말 종합적인 성과를 공개할 예정이다.