영상요약
수소차 시장이 확대됨에 따라 핵심 부품인 연료전지의 내구성이 중요한 과제로 떠오르고 있습니다. 수소 이온 전달을 위해 주로 사용되는 나피온은 뛰어난 성능을 자랑하지만, 습도 변화에 따라 부피가 크게 팽창하고 수축하는 단점이 있습니다. 이러한 변형은 전극 계면의 저항을 높이거나 전해질 막에 균열을 일으켜 수소 기체가 누출되는 수소 크로스오버를 유발합니다. 이를 해결하기 위해 최근에는 내구성이 뛰어난 지지체에 나피온을 함침시킨 강화 복합 전해질 막이 개발되었으나, 소재 간의 친화성 문제로 인해 여전히 개선이 필요한 상황입니다.
정렬 구조를 갖춘 PTFE 나노섬유 지지체는 나피온이 팽창하더라도 내부에서 발생하는 응력을 원활하게 상쇄할 수 있는 구조적 특징을 가집니다.
연구진은 기존 지지체의 한계를 극복하고자 전기 방사 기술을 활용한 PTFE 나노섬유 지지체를 새롭게 개발했습니다. 이 지지체는 기공의 크기가 마이크론 단위로 설계되어 나피온이 내부로 원활하게 침투할 수 있도록 돕습니다. 특히 열처리 과정을 최적화하여 2차 고분자를 제거하고 순수한 PTFE 섬유 네트워크를 유지하는 데 성공했습니다. 이러한 구조적 안정성은 시뮬레이션과 실험을 통해 검증되었으며, 강화 복합 전해질 막의 물리적 한계를 극복하는 핵심 기술이 되었습니다.
이번 연구의 성과는 단순한 기술 개발을 넘어 실제 수소차 구동 환경에서의 실증 평가를 통해 그 가치를 입증했습니다. 미국 에너지부의 엄격한 내구성 가이드라인에 따라 가혹한 가습 및 건조 조건을 21,000회 이상 반복한 결과, 수소 크로스오버가 전혀 발생하지 않는 우수한 내구성을 확인했습니다. 이는 현재의 수소차에 바로 탑재해도 문제가 없는 수준의 완성도를 의미합니다. 앞으로도 섬유 소재 기술을 바탕으로 에너지 분야 전문가 및 기업들과 협력하여, 우리나라가 수소 경제와 차세대 전지 시장에서 기술적 주도권을 확보할 수 있도록 연구를 지속할 계획입니다.