수소연료전지의 출력과 내구성을 동시에 향상시킬 수 있는 차세대 초박막 분리막 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

건국대학교 윤기로 교수(재료공학과) 연구팀은 한국생산기술연구원, 서울대학교 등과 공동으로 수소연료전지용 초박막 강화복합 분리막을 개발했다고 밝혔다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’ 1월호에 게재됐으며 해당 호 표지 논문으로 선정됐다.

연료전지 분리막은 양극과 음극을 분리하면서 수소이온만 이동시키고 수소 기체 누설을 차단하는 핵심 소재로, 연료전지의 출력과 수명, 안전성을 좌우한다. 산업계에서는 분리막을 얇게 만들수록 내구성과 기체 차단 성능이 저하되는 문제가 있어 기술적 한계로 지적돼 왔다.

연구팀은 기존 ePTFE 기반 지지체의 기공 구조 제어 한계를 극복하기 위해 전기방사와 이축연신 공정을 결합한 새로운 구조를 제시했다. 고분자 용액을 나노섬유 형태로 형성한 뒤 연신과 열처리를 적용해 공극률을 높이면서도 기계적 강도를 유지하는 방식이다.

그 결과 두께 약 19.8마이크로미터의 초박막 구조에서도 높은 치수 안정성과 기계적 강도, 수소 기체 차단 성능을 확보했다. 이는 기존 상용 강화막인 Nafion XL보다 얇은 구조다.

단전지 성능 시험에서는 0.6V 조건에서 2.786Acm⁻², 최대 출력밀도 1.986Wcm⁻²을 기록해 상용 강화막 대비 높은 성능을 보였다. 습윤·건조 반복 내구성 시험에서도 2만1000회 이상 구동 후 성능 저하가 거의 나타나지 않았다. 수소 크로스오버 전류도 미국 에너지부 차량용 기준을 충족했다.

연구팀은 이번 기술이 연료전지 분리막의 ‘초박막-고내구’ 구조를 동시에 구현한 사례로, 수소전기차뿐 아니라 수전해 기반 그린수소 생산 시스템 등 다양한 에너지 분야에 적용 가능할 것으로 보고 있다.

또한 전기방사 기반 나노섬유 지지체는 소재 선택과 구조 설계 자유도가 높아 국내 기업의 양산 기술과 연계될 경우 핵심 부품의 공급망 자립에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다고 밝혔다.

이번 연구에는 건국대, 한국생산기술연구원, 서울대, 한국화학연구원, 경희대, 한양대 연구진이 참여했으며 과학기술정보통신부 글로벌 TOP 전략연구단 사업, 산업통상자원부 에너지국제공동연구 사업, 기초과학연구원 지원으로 수행됐다.