화학연, 연료전지 스택 핵심 요소 '가스켓' 안전성·효율성 ↑

화학연의 연구 결과물. 완성된 스택과 질화붕소 나노플레이크(BNNF), BNNF 첨가 가스켓.

국내 연구진이 연료전지 및 수전해 스택의 내구성과 폭발 안전성에 직접적인 영향을 미치는 가스켓 안전성·효율성을 동시에 높이는 기술을 개발했다.

한국화학연구원(원장 이영국)은 오근환 박사팀이 2차원 질화붕소 나노플레이크(BNNF)를 기능화해, 실리콘과 합성고무(EPDM) 기반 실링 가스켓에 적용함으로써 기계적 강도, 수소 차단 성능, 화학적 및 열적 안정성을 동시에 높인 나노복합체 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

연료전지와 수전해 장치는 연료·산소·냉각수 등이 셀 내부를 순환하는데, 내부 밀폐용 가스켓 성능이 저하되면 시스템 효율이 떨어지고 안전사고로 이어질 수 있다.

기존 불소계, 실리콘 가스켓은 성능은 우수하지만 높은 가격과 환경 규제로 활용에 제약이 있다. 반면 실리콘과 EPDM 소재는 가격 경쟁력과 가공성은 뛰어나지만 수소 차단성과 내화학성이 부족했다.

이에 연구팀은 파이렌메틸 메타크릴레이트(1-PMA)를 이용해 BNNF 소재 내부에 조밀한 네트워크 구조를 구축했다. 수소 분자 투과를 효과적으로 차단하는 '미로 효과'를 극대화하고, 고온 및 가혹한 환경에서도 구조적 안정성을 유지하도록 했다.

단 0.5웨이트퍼센트(wt%: 전체 무게 중 비율) BNNF 첨가만으로 영률은 소재의 딱딱한 정도로, 이것이 높을 수록 모양이 잘 유지돼 밀폐 성능이 높다.

BNNF 첨가 시 EPDM 복합체는 영률 32.1% 증가와 수소 투과율 55.7% 감소를 이뤘으며, 실리콘 복합체도 영률 96.6% 향상, 기체 투과율 42.7% 감소 등 밀폐 성능이 향상됐다. 또한 내화학성 평가에서 225시간 동안 산성 및 알칼리 조건에 노출해도 EPDM 복합체는 각각 6.6%와 3.8%, 실리콘 복합체는 0.2%와 2.1%의 질량 손실만을 보여 우수한 안정성을 입증했다.

단전지 평가에서도 상용 가스켓과 동등하거나 일부 조건에서는 이를 능가하는 전류밀도를 기록했다. 특히 PEMFC 내부 압력이 균일하게 분포돼 전극 간 접촉 저항이 감소하는 효과가 관찰됐다.

연구팀은 현재 조기 실증과 기술이전을 추진하고 있으며, 향후 수소전기차, 발전용 스택, 대형 수전해 설비 등 다양한 현장 적용이 가능할 것으로 기대된다. 이번 연구로 수입 의존도가 높은 실리콘계 가스켓 국산화 기반을 마련했다.

이영국 화학연 원장은 “환경 규제에 대응 가능한 비불소계 대체 소재를 확보함으로써 비용 절감과 안전성 강화를 동시에 실현할 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 재료·화학 분야 국제학술지 'Advanced Composites and Hybrid Materials' 10월호 논문으로 게재됐다. 오근환 화학연 박사와 강홍석 인하대 교수가 교신저자로, 최원종 화학연 학생연구원이 1저자로 참여했다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com