[공학저널 전수진 기자] 수전해 기술은 지속 가능한 수소 생산 방법으로 주목받고 있으며, 상업화·대규모 적용을 위한 다양한 연구가 진행 중이다.

산업적 규모의 수전해 시스템은 대규모 수소생산을 목표로 한다. 이를 위해 높은 전류 밀도에서도 안정적으로 작동할 수 있는 촉매 개발이 중요한 요소로 손꼽히고 있다.

특히 수전해를 위한 촉매 나노입자의 합성 기술은 최근 많은 발전을 이루고 있다. 촉매의 안정성은 시간에 따른 전류 또는 전위의 변화를 통해 평가되며, 높은 안정성을 가진 촉매는 상업적 적용 가능성이 크기 때문에 전기화학적 물 분해 반응에서 중요한 역할을 하는 촉매의 성능을 향상시키기 위해 다양한 접근법이 연구되고 있다.

국내에서도 이러한 촉매 기술에 대한 연구개발이 활발히 이뤄지고 있으며, 기술개발 기업 중에서도 ㈜보야스에너지는 촉매 나노입자 합성 기술을 핵심기술로 보유한 것으로 잘 알려져 있다.

보야스에너지는 PEM 수전해의 산소 발생 전극에서 사용되는 귀금속인 이리듐(Iridium)의 사용량을 줄이기 위해 내구성이 높은 전도성 산화물 지지체를 개발해 주목받고 있으며, 또한, 이리듐을 2~3nm 수준으로 코팅할 수 있는 나노코팅 기술도 개발해 효율적인 비용으로 지속 가능한 수소생산을 가능하게 했다는 점에서 눈길을 끌고 있다.

이를 바탕으로 수소 발생기에 사용되는 고가의 귀금속 촉매를 특수 열처리하는 공정을 개발했으며, 나노 크기 수준의 귀금속 촉매를 통해 수소 발생기 효율을 향상시킨 것이 특징이다.

이뿐만 아니라 나노코팅 담지 촉매의 양산기술을 개발해 100% 해외에 의존하던 PEM 수전해용 OER 촉매를 국산화한 것 또한 강점으로 손꼽히고 있다.

보야스에너지는 수소 발생기, 수소연료전지용 촉매를 생산하는 수소에너지 분야 소재 전문 기업으로, 수전해용 촉매와 MEA 등 핵심 소재를 개발해 상용화·국산화를 달성한 기업이다.

전도성 산화물 지지체를 개발해 수소 발생기에 사용되는 귀금속 촉매의 사용량을 감축, 제조비용을 획기적으로 줄여 고효율·저비용 수소 발생시스템을 구현한 것은 물론, 시스템 개발 이후 단기간에 대기업 연구소와 여러 에너지 관련 기업에 공급할 정도로 기술력의 우수성을 입증했다.

보야스에너지는 이와 관련해 총 14건의 특허를 출원했으며, 5건의 특허가 등록됐다. 핵심 특허는 귀금속을 줄일 수 있는 고효율 산소 발생 촉매의 제조방법이다. 국내 많은 연구소, 기업들과 기술개발 협력을 진행하고 있으며, 수소 경제 시대를 앞당길 수 있는 핵심기술을 개발하고 있다.

보야스에너지 한상범 대표이사(사진)는 “지구온난화와 기상이변은 과학자와 공학자들이 해결해야 할 가장 중요한 분야로, 수소가 기상이변을 해결할 수 있는 가장 적합한 방법으로 판단해 연료전지 분야를 연구하기 시작했다”며 “수소 관련 소재를 국산화하기 위해 설립한 보야스에너지는 많은 연구자와 협업을 수행하며 수소산업의 밝은 미래를 위한 발판을 마련하고 있다”고 말했다.

이를 바탕으로 한 보야스에너지의 주요 산업 분야는 그린수소 생산을 위한 수전해용 귀금속 저감 촉매 분야로, 그린수소를 이용한 친환경 연료, 화학 원료 생산 등의 수소 경제 마지막 단계의 비즈니스 모델을 구축 중이다.

이를 바탕으로 국내 수전해 관련 기관·기업과 경쟁력 있는 수전해용 Stack을 개발하기 위한 협력을 진행 중이다.

그중 한국화학연구원 수소에너지연구센터는 수소산업용 이온교환막의 주요 원료와 제막 등을 개발하고 국내에서 가장 우수한 성능의 이온교환막을 개발한 연구기관으로, PEMWE용 핵심 소재 개발 과제를 함께 수행하고 있다.

현재 센터에서 개발한 전해질막과 보야스에너지에서 개발한 촉매를 이용해 막전극접합체와 단위 전지를 제조하고 수전해 성능과 내구성을 분석하는 연구가 수행 중이다.

한 대표는 “보야스에너지는 수전해 촉매를 국산화한 국내 최초의 기업으로서, 촉매 개발뿐만 아니라 MEA 제조기술을 확보하고 신뢰성 있는 단위 전지 성능까지 평가할 수 있는 기술을 보유하고 있다”며 “화학연구원에서 개발한 PEM 수전해용 전해질막에 적합한 MEA 제조공정을 개발하고, MEA의 성능을 평가해 수전해 Stack 개발의 핵심 소재인 전해질막 국산화의 가능성을 확인했다”고 설명했다.

이외에도 보야스에너지는 숭실대학교 박경원 교수 연구팀과 공동연구를 통해 리튬이온 교환막을 이용한 수전해 수소생산 시스템을 개발하기도 했다.

폴리비닐알코올(PVA)과 나피온을 다양한 중량비로 혼합해 리튬이온이 이동할 수 있는 최적의 고분자 막을 적용한 것으로, 수소전기차 수소생산 장치인 상용화 알칼리 수전해보다 3배 높은 전류 밀도를 나타내는 수전해 시스템 개발에 성공했다.

이러한 연구개발을 바탕으로 보야스에너지는 현재 과학기술정보통신부가 주관하는 ‘수소생산 및 저장 기술개발 협력’을 통해 국내 굴지의 대기업과 출연연 간 수소 혁신 기술 협력을 수행 중이다.

한 대표는 “수전해 시장이 크게 확대됨에 따라 귀금속 촉매의 사용량이 빠르게 늘어나고 있다”며 “수전해 촉매의 가격경쟁력 확보를 위해 양산 시스템을 구축하고 있으며, 이를 통해 가격경쟁력 확보를 위한 연구개발에 집중할 계획”이라고 전했다.

그는 이어 “수전해 산소 발생 전극의 귀금속 사용량을 줄이기 위한 방안으로 이리듐 나노코팅 담지 촉매의 기술을 더 발전시켜 귀금속 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 신규 촉매를 개발할 계획”이라고 덧붙였다.