수전해 장치의 높은 생산비용으로 그린수소 경제성이 높지 않은 가운데, 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 이리듐, 백금 등 희귀금속 사용량을 대폭 저감하는 기술이 개발됐다.
한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진)은 수소·연료전지연구센터의 박현서, 유성종 박사팀이 고분자 전해질막 수전해 장치에 사용되는 귀금속인 백금과 이리듐 사용량을 대폭 줄이면서 기존대비 성능은 유지하는데 성공했다고 18일 밝혔다.
보통 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개 전극이 있는데, 부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극은 내구성과 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 코팅해 보호층으로 사용하고, 그 위에는 이리듐 촉매를 코팅한다. 이들 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치 보급을 가로막는 주요 요인이다.
연구진은 그린수소 생산비용을 대폭 낮추면서 기존과 동등한 성능과 내구성을 확보했다.
고분자 전해질막 수소 생산 장치 산소 전극 보호층으로 사용되던 금과 백금을 값싼 질화철로 대체했다. 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켜 전도성을 높이는 복합 공정을 개발했다.
또 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(㎚) 두께 이리듐 촉매를 균일 코팅하는 공정을 개발해, 이리듐 촉매 사용량을 1㎠당 0.1㎎ 이하로 줄이면서 수소 생산효율과 내구성이 우수한 전극을 개발했다.
개발 전극은 기존 상용 수전해 장치 성능을 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매 양은 기존 10% 수준으로 낮췄다. 뿐만 아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치를 100시간 이상 운전해 초기 안정성을 검증하기도 했다.
박현서 KIST 박사는 “전극 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것”이라고 밝혔다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
