▲ 전극 內 이오노머 함량별 동파 현상 관찰 및 이에 따른 기계적 물성 평가 / 이오노머 함량이 다른 전극필름(30, 50 wt.%)을 −30℃에서 동결 사이클 후 관찰하였다. 30 wt.% 전극은 큰 기공률에도 불구하고 동파가 뚜렷하지 않았다. 반면 50 wt.% 전극은 작은 기공률임에도 균열 발생과 전파가 명확히 나타났다. 두 전극 모두 기계적 물성이(연신율, 인장강도) 저하되었으나, 초기 물성이 더 우수한 50 wt.% 전극에서 내구성 감소가 더 크게 나타났다.(그림 및 설명=국립공주대학교 표재범 교수)   © 특허뉴스

혹한의 겨울에도 꺼지지 않는 수소연료전지가 현실로 다가왔다.

국내 연구진이 수소연료전지의 대표적 난제인 ‘전극 동파(凍破)’ 문제의 근본 원인을 규명하고, 단 190℃에서 10분간의 열처리만으로 성능 저하를 막는 새로운 해결책을 제시했다.

이 성과는 수소차·수전해 플랜트 등 혹한 환경용 청정에너지 시스템의 상용화를 앞당길 것으로 기대된다.

한국연구재단은 국립공주대학교 표재범 교수, KAIST 김택수 교수, 국방과학연구소 김지훈 박사 공동연구팀이 “겨울철 연료전지의 성능 저하와 수명 단축을 유발하는 원인이 ‘나노 기공’이 아닌 ‘이오노머(ionomer) 결합체’ 내부의 결빙”임을 밝혀냈다고 발표했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 'Carbon Energy'(10월 31일자)에 게재됐다.

“원인은 기공이 아니라 결합체였다”... 전극 손상 메커니즘 새롭게 규명

기존 연구에서는 수소연료전지 전극 속의 나노 기공(nanopore)에 남은 물이 얼어붙으면서 생기는 압력이 전극 균열의 원인으로 지목돼 왔다. 이 때문에 히터나 온도조절 장치 등 외부 가열 장치로 문제를 억제하는 방식이 주로 사용되었다.

하지만 연구팀은 실험을 통해 이오노머 함량이 높은 전극일수록 오히려 동파에 더 취약하다는 사실을 발견했다. 이오노머는 수소이온 전달과 입자 결합을 돕는 고분자 물질로, 내부가 스펀지처럼 물을 머금는 특성을 지닌다.

즉, 전극의 균열은 미세한 기공이 아니라 이오노머 결합체 내부에 갇힌 물이 결빙되며 팽창하는 현상에서 비롯된다는 것이다.

“190℃, 단 10분”... 간단한 열처리로 구조 재편성

연구팀은 나노 구조를 조밀하게 변형시켜 물이 머무를 공간을 없애는 방법으로 문제를 해결했다.

전극을 190℃에서 10분간 열처리하자, 이오노머 내부 구조가 치밀하게 재배열되며 결빙 취약 영역이 사라졌고, 영하 20℃의 혹한에서도 초기 기계적 강도의 90% 이상을 유지하는 데 성공했다.

이 간단한 공정은 기존 복잡한 열관리 장치 없이도 저온 내구성과 장기 안정성을 크게 향상시킬 수 있다는 점에서 산업적 의미가 크다.

“겨울철 수소차부터 극지 플랜트까지”... 에너지 시스템 전반으로 확산 기대

표재범 교수는 “이번 성과는 전극의 동파 원인에 대한 기존 통념을 뒤집으며, 동파의 근본적인 원인을 찾아 새로운 해결책을 제시했다”며, “이를 통해 겨울철 수소차의 안정적 시동, 혹한 지역 수전해 플랜트의 신뢰성을 높이는 것은 물론, 이오노머를 사용하는 차세대 배터리, 슈퍼커패시터 등 다양한 미래 에너지 저장장치 저온 안정성 개선에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.

다만 연구진은 “산업적 적용을 위해서는 반복 동결·해동 실험과 장시간 운전 검증이 추가로 필요하다”며, “향후 대규모 시스템 적용을 목표로 극한 환경에서도 작동 가능한 차세대 수소에너지 플랫폼으로 발전시킬 계획”이라고 덧붙였다.

논문명은 Prevention of Frost-Driven Self-Fracture of Ionomer-Bound Carbon Films by Controlling Freezable Water Domain Size이다.