건국대학교는 윤기로 재료공학과 교수 연구팀이 한국생산기술연구원, 서울대학교 등과 공동으로 수소연료전지의 성능과 내구성을 동시에 개선할 수 있는 초박막 분리막 기술을 개발했다고 12일 밝혔다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials,IF 26.0, JCR 상위 2.5%) 1월호에 게재됐으며, 표지 논문(Front Cover)으로 선정됐다.

수소연료전지는 승용차를 넘어 트럭·버스 등 상용차와 철도, 선박, 항공기 등으로 적용 범위가 확대되고 있다. 연료전지의 출력과 수명, 안전성에 직접적인 영향을 미치는 핵심 부품은 전해질막(분리막)이다. 분리막은 양극과 음극을 분리하면서 수소이온만 선택적으로 이동시키고, 수소 기체의 누설을 차단하는 역할을 한다.

산업계에서는 분리막을 얇게 만들수록 출력은 높아지지만 내구성이 저하되는 문제가 지적돼 왔다. 현재는 다공성 지지체를 활용한 '강화복합막'이 상용화돼 있으나, 기존 ePTFE 기반 지지체는 제조 공정 특성상 내부 기공 구조를 정밀하게 제어하는 데 한계가 있다는 평가를 받아왔다.

연구팀은 전기방사(electrospinning) 공정과 이축연신(biaxial stretching) 공정을 결합한 새로운 지지체 구조를 제시했다. 고분자 용액을 전기방사해 나노섬유 형태의 PTFE 지지체를 형성한 뒤, 내부에 이오노머를 고밀도로 채우고 두 방향으로 연신하는 방식이다. 이 과정에서 나노섬유 매트를 3배 연신하자 전체 두께는 약 9분의 1 수준으로 감소했고, 공극률은 증가했다.

최종적으로 두께 약 19.8마이크로미터(μm)의 초박막 분리막이 구현됐다. 연구팀에 따르면 해당 막은 상용 제품인 'Nafion XL'보다 얇은 구조임에도 기계적 강도와 치수 안정성, 수소 차단 성능을 동시에 확보했다.

단전지 성능 시험에서는 0.6V 조건에서 2.786A·cm?²의 전류밀도와 최대 출력밀도 1.986W·cm?²를 기록했다. 습윤·건조 반복 내구 시험에서도 2만1000회 이상 구동 후 성능 저하가 거의 나타나지 않았다. 수소 크로스오버 전류는 0.4V 기준 3mA·cm?² 이하로, 미국 에너지부(DOE)의 차량용 분리막 기준을 충족했다고 연구팀은 설명했다.

윤기로 교수는 "전기방사 공정은 나노섬유 직경과 구조 제어가 가능해 지지체 설계 자유도가 높다"며 "연신과 열처리를 접목하면 공극률과 기계적 특성을 동시에 조절할 수 있다"고 밝혔다.

이번 연구에는 건국대 윤기로 교수를 비롯해 한국생산기술연구원, 서울대, 한국화학연구원, 경희대, 한양대 연구진이 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부 글로벌 TOP 전략연구단 사업과 산업통상자원부 에너지국제공동연구 사업, 기초과학연구원(IBS) 지원으로 수행됐다.