수소 만드는 장치의 부품을 싸게 만든다

KIST, 수전해장치 전극 백금·이리듐 10%만 사용해 제작

KIST 박현서 박사팀인 오진호 연구원(왼쪽)과 이규성 연구원이 새로 개발한 수전해장치의 전극을 실험하고 있다. KIST 제공

[파이낸셜뉴스] 한국과학기술연구원(KIST) 수소·연료전지연구센터 박현서·유성종 박사팀이 수전해 장치 부품 생산비용을 최소화하는 기술을 개발했다. 물을 전기분해해 수소를 만들때 사용하는 전극을 값싼 질화철로 만들고 백금과 이리듐 사용량을 10분의 1로 줄였다. 이 전극은 기존 전극에서 만들어내는 수소 생산 성능과 내구성이 기존 장치와 동등한 수준을 보였다.

박현서 박사는 18일 "이리듐 촉매 사용량을 줄이고, 백금 보호층 대체 물질을 개발하는 것은 고분자 전해질막 그린수소 생산장치의 경제성과 보급 확대를 위해 반드시 필요하다"며, "전극의 성능과 내구성을 추가로 관찰한 후, 빠른 시일 내에 상용장치에 적용하게 될 것"이라고 말했다.

일반적인 수전해 장치에는 수소와 산소를 만드는 2개의 전극이 있다.

부식성이 큰 환경에서 작동하는 산소 발생 전극은 내구성 및 생산 효율성 확보를 위해 금이나 백금을 전극 표면에 1㎎/㎠ 가량 코팅해 보호층으로 사용한다. 그 위에 다시 1~2㎎/㎠의 이리듐 촉매를 코팅한다. 연구진은 "수전해 장치에 사용되는 귀금속은 매장량과 생산량이 매우 적어 그린수소 생산 장치의 보급을 가로막는 주요 요인"이라고 설명했다.

연구진은 고분자 전해질막 수소 생산 장치의 산소 전극 보호층으로 사용되던 희귀금속인 금과 백금을 값싼 질화철로 대체했다. 우선 전도성을 높이기 위해 전극 위에 전기 전도성이 낮은 산화철을 균일하게 코팅한 후, 산화철을 질화철로 변환시켰다.

또, 질화철 보호층 위에 약 25나노미터(nm) 두께의 이리듐 촉매를 균일하게 코팅했다. 이때 이리듐 촉매의 사용량을 0.1㎎/㎠ 이하로 줄이면서도 수소 생산효율과 내구성이 떨어지지 않았다.

연구진이 개발한 전극은 기존 상용 수전해 장치 성능과 유사한 수준으로 유지하면서 산소 발생 전극의 보호층으로 사용되는 금이나 백금을 비귀금속으로 대체하는 한편, 이리듐 촉매의 양은 기존의 10% 수준으로 낮췄다. 뿐만아니라 신규 부품을 적용한 수전해 장치는 100시간 이상 가동해도 초기 안정성을 유지했다.

한편, 연구진은 이번 연구 결과를 에너지·환경 분야 세계 상위 1% 저널인 '응용촉매 B-환경(Applied Catalysis B-Environmental)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자