⚡ 암모니아 연료전지(NH₃ Fuel Cell)의 화학적 원리 ⚡

암모니아(NH₃) 연료전지는 암모니아를 수소 원료로 사용하여 전기를 생산하는 시스템임. 기존 연료전지처럼 산화반응과 환원반응(REDOX)을 통해 전기에너지를 생성하는 방식인데, 암모니아를 직접 사용하거나 분해(크래킹)해서 활용할 수도 있음.
암모니아 연료전지는 크게 두 가지 방식으로 작동해:
1️⃣ 암모니아 직접 연료전지(Direct Ammonia Fuel Cell, DAFC)
2️⃣ 암모니아 개질 연료전지(Ammonia-Cracking Fuel Cell)

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🔹 1️⃣ 암모니아 직접 연료전지(DAFC, Direct Ammonia Fuel Cell)

이 방식은 암모니아를 직접 산화하여 전기에너지를 생성하는 방법.
📌 반응식:

• 양극(Anode) 반응: 2NH3​+6OH−→N2​+6H2​O+6e− (암모니아가 수산화이온(OH⁻)과 반응하여 질소(N₂), 물(H₂O), 전자(e⁻) 발생)
• 음극(Cathode) 반응: (3/2) O₂ + 3H₂O + 6e⁻ → 6OH⁻ (산소가 물과 결합하여 수산화이온(OH⁻) 형성)
• 전체 반응식: 2NH₃ + (3/2) O₂ → N₂ + 3H₂O (암모니아와 산소가 반응하여 질소와 물을 생성하며 전기를 발생)

✅ 특징

✔ 고온(>600°C)에서 높은 효율을 보이며, 주로 고체산화물 연료전지(SOFC)에서 사용됨.
✔ NOx 배출이 거의 없음.
✔ 연료 개질 과정 없이 바로 사용할 수 있어 구조가 단순함.
🚨 하지만 암모니아의 반응성이 낮아 전극 촉매 성능이 중요함.

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🔹 2️⃣ 암모니아 개질(크래킹) 연료전지

이 방식은 암모니아(NH₃)를 수소(H₂)와 질소(N₂)로 분해(크래킹, Cracking)한 후, 수소를 연료전지에 공급하는 방법.
📌 암모니아 크래킹 반응:
2NH3→3H2+N22NH₃ → 3H₂ + N₂2NH3→3H2+N2
(암모니아가 촉매를 통해 수소와 질소로 분해됨)
이렇게 생성된 수소(H₂)를 기존 수소 연료전지(PEMFC, SOFC 등)에 공급하여 전기 생산이 가능해.
📌 연료전지 반응식(PEMFC 기준):

• 양극(Anode) 반응:2H2→4H++4e−2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻2H2→4H++4e−(수소가 양성자(H⁺)와 전자(e⁻)로 분해됨)
• 음극(Cathode) 반응:O2+4H++4e−→2H2OO₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂OO2+4H++4e−→2H2O(산소와 수소 이온이 결합하여 물 형성)
• 전체 반응식:2H2+O2→2H2O2H₂ + O₂ → 2H₂O2H2+O2→2H2O(수소와 산소가 반응하여 물을 생성하며 전기를 발생)

✅ 특징

✔ 기존 수소 연료전지(PEMFC, SOFC)와 호환이 가능함.
✔ 암모니아를 저장/운송 후 수소로 변환할 수 있어 수소 인프라 부족 문제를 해결 가능.
🚨 하지만 암모니아 크래킹을 위한 추가적인 열에너지가 필요하고, 수소 정제 과정에서 일부 에너지 손실이 발생할 수 있음.

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🔥 결론: 암모니아 연료전지의 미래 전망

🔹 암모니아 연료전지는 수소 저장/운송이 용이하여 차세대 친환경 에너지원으로 주목받고 있음.
🔹 직접 암모니아 연료전지(DAFC)는 구조가 간단하지만, 반응성이 낮아 촉매 개발이 필요함.
🔹 암모니아 크래킹 후 사용하는 방식은 기존 수소 연료전지와 호환되지만, 변환 과정에서 에너지 손실이 발생할 수 있음.
🔹 LNG 대신 암모니아를 활용한 연료전지 선박, 발전소, 수소 경제 인프라 확대에 중요한 역할을 할 가능성이 높음.
👉 결국 암모니아 연료전지가 상용화되려면, 반응성을 높일 촉매 기술과 크래킹 효율을 개선하는 연구가 핵심이 될 것! 🚀