건국대학교 윤기로 교수(재료공학과) 연구팀이 한국생산기술연구원, 서울대학교 등과 공동으로 수소연료전지의 성능과 수명을 동시에 높일 수 있는 차세대 초박막 분리막 기술을 개발했다. 이번 연구 성과는 에너지 소재 분야 국제 최상위 학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF=26.0, JCR 상위 2.5%) 1월호에 게재됐으며, 해당 호 표지(Front Cover) 논문으로도 선정됐다.

최근 수소연료전지는 승용차를 넘어 트럭과 버스 같은 중·대형 상용차는 물론 트램, 선박, 항공기 등 다양한 운송 수단으로 활용 범위가 빠르게 확대되고 있다. 이를 위해서는 연료전지가 장시간 안정적으로 작동해야 하며, 이 성능을 좌우하는 핵심 부품이 바로 전해질막(분리막)이다.

분리막은 연료전지 내부에서 양극과 음극을 분리하면서 수소이온만 이동시키는 동시에 수소 기체의 누설을 막는 역할을 하며 연료전지의 출력, 수명, 안전성을 좌우하는 핵심 소재다. 산업계에서는 오랫동안 분리막을 얇게 만들면서도 내구성을 유지하는 것이 어려운 기술적 과제로 꼽혀왔다.

현재 업계에서는 튼튼한 다공성 지지체를 이용해 분리막의 강도를 보강한 ‘강화복합막(이하 강화막)’이 널리 활용되고 있다. 그러나 기존에 널리 사용돼 온 ‘ePTFE’ 기반의 지지체는 이미 만들어진 고분자 필름을 늘려 찢는 방식의 톱 다운(Top-down) 공정으로 제조되기 때문에 내부 기공 구조를 정밀하게 제어하는 데 근본적인 한계가 있었다. 그 결과, 막을 얇게 만들수록 수소 기체가 반대쪽 전극으로 쉽게 투과하고, 동시에 내구성이 저하되는 문제가 발생해왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 고분자를 용액 상태로 만든 뒤 정전기력을 이용해 머리카락보다 훨씬 가는 섬유 형태로 뽑아내는 전기방사(electrospinning) 기술과 고분자 필름이나 부직포를 특정 온도에서 두 방향으로 잡아당겨 늘리는 이축연신(biaxial stretching) 공정을 결합한 새로운 분리막 구조를 세계 최초로 제시했다.

연구팀은 고분자 용액으로부터 나노미터 수준의 섬유를 하나씩 쌓아 뛰어난 내열성과 내화학성, 낮은 마찰계수를 지닌 고분자인 ‘폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)’ 지지체를 형성한 뒤 그 내부에 수소이온을 전달하는 고분자 물질인 이오노머를 고밀도로 채우고 두 방향으로 균일하게 늘리는 연신 공정을 적용했다. 이 과정에서 나노섬유 부직포 매트 형태의 지지체를 3배로 연신하자 전체 두께는 약 9분의 1 수준으로 줄어들었고, 내부 공간의 공극률은 오히려 크게 증가했다.

그 결과, 두께 약 19.8마이크로미터(µm)에 불과한 초박막 구조임에도 이오노머가 지지체 내부까지 고르게 채워진 고내구 강화막이 구현됐다. 이 막은 기존 상용 제품인 ‘Nafion XL’보다 더 얇은 구조임에도 불구하고 물에 젖어도 형태 변화가 적은 치수 안정성과 높은 기계적 강도, 우수한 수소 기체 차단 성능을 동시에 확보했다. 이는 전기방사 후 제조한 나노섬유 지지체를 재결정화 및 열처리하는 과정에서 섬유 사이가 더욱 단단히 연결되고, 연신 공정을 통해 넓어진 기공 사이로 이오노머가 촘촘히 침투하면서 형성된 구조적 효과에 따른 것이다.

연료전지 단전지 성능 시험에서도 성과는 분명했다. 해당 분리막을 적용한 연료전지는 0.6V 조건에서 2.786Acm⁻², 최대 출력밀도 1.986Wcm⁻²을 기록해 기존 상용 강화막의 기능을 크게 웃돌았다. 또한 습윤과 건조를 반복하는 혹독한 내구성 시험에서도 2만1000회 이상 구동 후에도 성능 저하가 거의 나타나지 않았다.

수소 기체가 막을 통과하는 정도를 나타내는 수소 크로스오버 전류 역시 0.4V 기준 3mA·cm⁻² 이하로 유지돼 미국 에너지부(DOE)가 제시한 차량용 분리막 내구 기준을 충족했다. 이는 막을 얇게 만들수록 내구성이 떨어진다는 기존 상식을 넘어 분리막의 ‘초박막-고내구’ 구조를 동시에 달성한 사례로 평가된다.

이번 연구를 이끈 건국대 윤기로 교수는 “전기방사는 고분자 소재 선택의 폭이 넓고 나노섬유의 직경이나 밀도, 구조 제어가 용이한 공정으로, 이미 국내에서도 양산에 성공한 기업들이 존재한다”며 “전기방사로 제조한 나노섬유 부직포에 연신과 열처리 공정을 접목하면 공극률 향상은 물론 지지체의 두께와 강도를 목적에 맞게 자유롭게 설계할 수 있다”고 설명했다.

이어 “이번 연구는 연료전지 분리막에서 오랫동안 해결되지 않았던 얇기와 내구성의 트레이드오프를 근본적으로 극복한 성과”라며 “수소전기차뿐 아니라 향후 그린수소 생산을 위한 수전해 시스템 등 다양한 에너지 분야로 확장 적용이 가능할 것”이라고 말했다.

이번 연구에는 건국대 윤기로 교수를 비롯해 한국생산기술연구원 박사과정생(제1저자), 서울대학교 성영은 교수팀 이경아 박사(제1저자), 한국화학연구원 김성준 박사, 경희대학교 김정 교수, 한양대학교 최선진 교수 연구팀이 참여했다. 연구팀은 이번 기술이 해외 기업에 의존해온 기존 연료전지 핵심 부품 공급 구조에서 벗어나 국내 기술 자립과 공급망 안정화에도 기여할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

본 연구는 과학기술정보통신부 글로벌 TOP 전략연구단 사업과 산업통상부 에너지국제공동연구 사업, 기초과학연구원(IBS)의 지원을 받아 수행됐다.