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

LG화학이 적은 양의 이리듐(Ir)으로도 장기간 안정적인 수소 생산이 가능한 PEM(고분자전해질막) 수전해 전극 기술을 개발하며 차세대 그린수소 생산 소재의 상용화 가능성을 높였다.

LG화학은 26일 CTO 산하 기반기술연구소 연구팀이 PEM 수전해 전극의 성능과 내구성을 획기적으로 향상시키는 계면안정화 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구에는 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 고재현 선임연구원 연구팀이 개발 소재의 작용 기작 규명에 참여했으며, 연구 성과는 21일 세계 최상위 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재됐다.

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

그러나 PEM 수전해 장치의 전극에는 고가의 희귀금속인 이리듐 촉매가 사용돼 경제성 확보가 주요 과제로 꼽힌다. 특히 전극에 이리듐이 적게 사용되면 촉매 용출과 전극 구조 열화가 발생해 장시간 운전 시 성능이 저하될 수 있어 이에 따른 설비 교체주기 단축과 운영비 증가가 PEM수전해 기술 상용화 확대에 최대 난제로 지적돼 왔다.

LG화학은 촉매 계면안정화 기술로 이러한 문제를 해결했다. 이리듐 촉매 표면에 원자 단위 코팅층을 적용해 과도한 산화에 따른 이리듐 용출을 억제하는 동시에 전극 내 이온전도성 고분자와의 결합력을 높여 전극 구조 안정성을 강화했다.

그 결과 이리듐 사용량을 기존 대비 절반 이상 줄이면서도, 높은 전류 밀도 조건에서 안정적인 수소 생산 시간을 기존보다 2배 이상 연장하는 데 성공했다. 이는 PEM 수전해 시스템의 초기 투자비와 유지보수 비용 절감에 기여할 것으로 기대된다.

또한 LG화학은 독자적인 전극화 기술을 기반으로 연속 공정을 활용한 대면적 전극 제작과 성능 검증을 완료하며 대량 생산 및 상용화 가능성을 확인했다. 공동저자 중 한명인 LG화학 김노마 전무(기반기술연구소장)는 현재 다수의 글로벌 수전해 시스템 기업과 제품 평가를 진행 중이며 해당 전극 제품의 상업화를 목표로 기술 개발을 이어갈 계획이라고 밝혔다.

LG화학 CTO 심규석 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.