LG화학, 그린수소 전극 수명 2배 이상 늘렸다…이리듐 사용 절반 감축

계면 안정화 기술로 PEM 수전해 전극 내구성 향상

고가 이리듐 사용량 절감, 장시간 운전에도 성능 유지

LG화학 연구원들이 그린수소 생산 핵심 소재인 수전해용 계면 안정화 촉매 기술 개발을 기념해 사진 촬영을 하고 있다. ⓒLG화학

LG화학이 고가 희귀금속인 이리듐 사용량을 줄이면서도 장시간 수소 생산이 가능한 고분자전해질막(PEM) 수전해 전극 기술을 개발했다. 그린수소 생산 비용을 낮출 수 있는 소재 기술로, 향후 상용화 가능성도 높였다.

LG화학은 최고기술책임자(CTO) 산하 기반기술연구소 연구팀이 PEM 수전해 전극의 성능과 내구성을 높이는 계면안정화 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

이번 연구에는 한국과학기술연구원(KIST) 고재현 선임연구원 연구팀이 개발 소재의 작용 원리를 규명하는 데 참여했다. 연구 성과는 지난 21일 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 게재됐다.

그린수소는 신재생에너지로 만든 전기를 활용해 물을 분해하는 방식으로 생산된다. 이 과정에서 쓰이는 수전해 기술은 탄소 배출 없이 수소를 만들 수 있어 차세대 친환경 에너지 기술로 주목받고 있다.

PEM 수전해는 알칼라인 수전해보다 수소 생산성이 높고 전력 변동에 대응하는 능력이 우수해 그린수소 생산 기술로 평가받는다. 다만 전극에 고가의 희귀금속인 이리듐 촉매가 쓰여 경제성 확보가 과제로 꼽혀왔다.

특히 이리듐 사용량을 줄이면 촉매가 녹아나오거나 전극 구조가 손상돼 장시간 운전 시 성능이 떨어질 수 있다. 이 경우 설비 교체 주기가 짧아지고 운영비가 늘어 PEM 수전해 상용화의 걸림돌로 지적됐다.

LG화학은 촉매 계면안정화 기술로 이러한 문제를 개선했다. 이리듐 촉매 표면에 원자 단위 코팅층을 적용해 과도한 산화에 따른 이리듐 용출을 억제하고, 전극 안에서 이온전도성 고분자와의 결합력도 높였다.

이를 통해 전극 구조 안정성을 강화하면서 이리듐 사용량은 기존보다 절반 이상 줄였다. 높은 전류 밀도 조건에서도 안정적인 수소 생산 시간을 기존보다 2배 이상 늘리는 데 성공했다. LG화학은 이번 기술이 PEM 수전해 시스템의 초기 투자비와 유지보수 비용 절감에 기여할 것으로 기대하고 있다.

상용화 기반도 마련했다. LG화학은 독자적인 전극화 기술을 바탕으로 연속 공정을 활용한 대면적 전극 제작과 성능 검증을 완료했다. 대량 생산 가능성을 확인한 만큼 글로벌 수전해 시스템 기업들과 제품 평가를 진행하며 상업화를 추진한다는 계획이다.

공동 저자인 김노마 LG화학 기반기술연구소장 전무는 현재 다수의 글로벌 수전해 시스템 기업과 제품 평가를 진행하고 있으며, 해당 전극 제품의 상업화를 목표로 기술 개발을 이어가겠다고 밝혔다.

심규석 LG화학 CTO 전무는 “이번 연구 성과는 LG화학의 소재 기술 경쟁력이 세계적으로 인정받은 사례”라며 “차세대 수소 생산 기술 경쟁력 확보를 위해 관련 연구개발을 지속 확대하겠다”고 말했다.