▲ KIST에서 개발한 전극 제조 공정 모식도

국내 연구진이 그린수소 생산비의 많은 부분을 차지하는 귀금속의 사용량을 대폭 줄일 수 있는 기술을 개발해 그린수소 상용화에 기여할 전망이다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사 연구팀은 고분자 전해질막 수전해 장치의 전극 보호층에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐의 사용량을 대폭 줄이는 새로운 구조의 부품을 개발했다고 18일 밝혔다. 

고분자 전해질막 수전해 장치는 태양광 등의 신재생에너지로부터 공급받은 전력으로 물을 분해해 고순도의 수소와 산소를 생산하는 장치로, 제철, 화학 등 다양한 산업 분야에 수소를 공급하는 역할을 하고 있다. 또한, 재생에너지 전력을 수소에너지로 보관하는 에너지 전환에도 유리해 이 장치의 경제성을 높이는 것은 그린수소 경제 구현을 위해 매우 중요하다.

일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극의 경우 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 코팅해 보호층으로 사용하고, 그 위에는 이리듐 촉매를 코팅한다. 이들 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적고 값이 비싸 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막고 있다.

이에 KIST 연구팀은 수전해 장치의 경제성을 향상시키기 위해 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철(Fe2N)로 대체했다. 이를 위해 먼저 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다. 

또한, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅하는 공정을 개발해 이리듐 촉매의 사용량을 0.1mg/㎠ 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다.

개발된 전극은 기존의 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮춘 것이다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다.

KIST 박현서 박사는 “이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요한 연구”라며, “전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 국제 과학 저널인 ‘Applied Catalysis B:Environmental’ (IF: 24.319, JCR 분야 상위 0.926%) 최신 호에 온라인 게재됐다.