LG화학, 차세대 수전해 기술 개발… 그린수소 생산 시간 2배↑·안정성 개선

계면안정화 기술로 PEM 수전해 전극 내구성↑
연구 결과 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 게재
기존 ‘알칼라인 수전해’ 단점 보완
고가금속 사용 줄여 투자비·운영비 절감 기대

그린수소 생산 핵심인 수전해용 계면안정화 촉매 기술을 개발한 LG화학 연구원들이 기념 촬영을 하고 있다. (왼쪽부터) 김기환 수석연구위원(막전극접합체), 김의태 책임(촉매·전극코팅액), 김노마 전무(논문 공동저자), 손호연 책임(전극). LG화학 제공

LG화학이 적은 양의 이리듐(Ir)으로도 장기간 안정적인 수소 생산이 가능한 고분자전해질막(PEM) 수전해 전극 기술을 개발했다. 차세대 그린수소 생산 소재 상용화 가능성을 높였다는 평가다.

LG화학은 26일 CTO 산하 기반기술연구소 연구팀이 PEM 수전해 전극 성능과 내구성을 획기적으로 향상시키는 계면안정화 기술을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구에는 한국과학기술연구원 고재현 선임연구원 연구팀이 개발 소재 작용 기작(매커니즘) 규명에 참여했다고 한다. 또 해당 연구 성과는 지난 21일 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재(논문명 Dual-interface stabilization of low-iridium anodes for durable proton exchange membrane water electrolysis, 논문 공동저자 김노마 LG화학 전무, 제1저자 김의태 LG화학 책임, 교신저자 김기환 LG화학 수석연구위원·고재현 한국과학기술연구원 선임연구원)됐다.

그린수소는 탈탄소 사회 실현을 위한 핵심 에너지원으로 신재생에너지에서 얻은 전기로 물을 분해해 생산된다. 이를 가능하게 하는 친환경 수전해 기술이 주목받고 있다. 특히 PEM 수전해는 알칼라인(Alkaline) 수전해보다 높은 수소 생산성과 우수한 출력 대응성으로 차세대 그린수소 생산 기술로 평가받고 있다.

알칼라인 수전해는 수산화칼륨(KOH)이나 수산화나트륨(NaOH) 같은 알칼리성 수용액을 전해질로 전기를 흘려보내 물을 수소와 산소로 분해하는 방식이다. 가장 오래되고 상용화가 많이 된 그린수소 생산 기술로 알려졌다. 니켈 등 저렴한 촉매를 사용하기 때문에 장치 가격이 싸고 대용량 그린수소 생산에 용이한 장점이 있다. 다만 장비 크기가 크고 재생에너지(풍력, 태양광 등)처럼 전력 공급이 일정하지 않은 환경에서 빠른 대응이 제한되는 것이 단점으로 꼽힌다.

LG화학 수전해용 핵심 소재 및 부품. (왼쪽부터) 수전해 셀, 이리듐 촉매, 전극, 막전극접합체(MEA). LG화학 제공

LG화학은 이러한 알칼라인 수전해 단점을 보완하기 위해 PEM 수전해 기술 개발을 추진했다. PEM 수전해의 경우 전극에 고가 희귀금속인 이리듐 촉매가 사용되기 때문에 경제성 확보가 주요 과제다. 특히 전극에 이리듐이 적게 사용되면 촉매 용출과 전극 구조 열화가 발생해 장시간 운전 시 성능이 저하될 수 있어 이에 따른 설비 교체 주기 단축과 운영비 증가가 상용화 최대 난제로 꼽혔다. LG화학은 촉매 계면안정화 기술로 이러한 문제를 해결했다고 밝혔다. 이리듐 촉매 표면에 원자 단위 코팅층을 적용해 과도한 산화에 따른 이리듐 용출을 억제하는 동시에 전극 내 이온전도성 고분자와 결합력을 높여 전극 구조 안정성을 강화했다는 설명이다.

그 결과 이리듐 사용량을 기존 대비 절반 이상 줄이면서 높은 전류 밀도 조건에서 안정적인 수소 생산 시간을 기존보다 2배 이상 연장하는 데 성공했다고 한다. 이를 통해 PEM 수전해 시스템 초기 투자비와 유지보수 비용 절감에 기여할 것으로 보고 있다.

또한 LG화학은 독자적인 전극화 기술을 기반으로 연속 공정을 활용한 대면적 전극 제작과 성능 검증을 완료했다. 해당 기술에 대한 대량 생산 및 상용화 가능성을 입증한 것이다. 논문 공동저자인 김노마 LG화학 전무(기반기술연구소장)는 현재 다수 글로벌 수전해 시스템 기업과 제품 평가를 진행 중이다. 해당 전극 제품 상업화를 목표로 기술 개발을 이어갈 계획이다.

심규석 LG화학 CTO 전무는 “이번 연구 성과는 LG화학의 소재 기술 경쟁력이 세계적으로 인정받은 사례”라며 “차세대 수소 생산 기술 경쟁력 확보를 위해 관련된 다양한 연구개발을 지속 확대할 것”이라고 말했다.

김민범 기자 mbkim@donga.com