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[IT뉴스]물 전기분해 장치 핵심모듈 밀폐 부품 성능·수명 '업'

온카뱅크관리자

2025-11-02 12:07:31

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 한국화학연구원 
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 연구팀이 완성된 BNNF 첨가 가스켓 복합체를 보여주고 있다. 화학연 제공
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 국내 연구진이 연료전지와 물을 전기 분해해 수소와 산소를 생산하는 장치의 핵심 모듈인 '수전해 스택'의 내구성과 폭발 안전성에 직접적인 영향을 미치는 가스켓의 안전성과 효율성을 동시에 높이는 기술을 개발했다. 가스켓은 스택 내부의 셀과 셀 사이에 끼워지는 밀폐용 패킹 부품으로 전해액이나 수소·산소가 새거나 섞이지 않도록 막아주는 역할을 한다. 
 한국화학연구원(화학연)은 오근환 책임연구원팀이 2차원 '질화붕소 나노플레이크(BNNF)'를 기능화해 실리콘과 합성고무(EPDM) 기반의 실링 가스켓에 적용함으로써 기계적 강도, 수소 차단 성능, 화학적 및 열적 안정성을 동시에 높인 나노복합체 기술을 개발했다고 2일 밝혔다. BNNF는 붕소(B) 원자와 질소(N) 원자가 번갈아 배열된 물질로 얇은 층으로 깎아 만든 것이다. 
 연료전지와 수전해 장치에서는 연료, 산소, 냉각수 등이 셀 내부를 순환한다. 내부 밀폐용 가스켓의 성능이 저하되면 시스템 효율이 떨어지고 심각한 안전사고로 이어질 수 있다. 기존의 불소계 및 실리콘 가스켓은 우수한 성능에도 불구하고 높은 가격과 과불화화합물(PFAS) 등 환경 규제로 활용에 제약이 있다. 반면 실리콘과 EPDM 소재는 가격 경쟁력과 가공성은 뛰어나지만 수소 차단성과 내화학성이 부족한 한계가 있다.
 연구팀은 고분자 재료 중 하나인 '파이렌메틸 메타크릴레이트(1-PMA)'를 이용해 BNNF를 화학적으로 코팅하고 결합시켜 고분자 내부에 단단하고 촘촘한 3차원 네트워크를 만들었다.
 소재 내부에 조밀한 네트워크 구조를 구축함으로써 수소 분자의 투과를 효과적으로 차단하는 ‘미로 효과’를 극대화하고 고온 및 가혹한 환경에서도 구조적 안정성을 유지하도록 했다. 연구팀은 개발한 구조를 실리콘과 합성고무(EPDM) 기반 실링 가스켓에 적용했다. 
 연구팀은 단 0.5웨이트퍼센트%(wt, 전체 무게 대비 함유량)의 BNNF 첨가만으로도 '영률'과 수소 투과율 측면에서 가시적인 성능 향상을 이끌어냈다. 영률은 재료가 얼마나 단단하고 탄성이 있는지를 나타내는 기계적 물성 지표다. 영률 값이 높을수록 그 소재는 딱딱해서 가스켓이 압력에 눌려도 모양이 잘 유지되어 밀폐 성능이 높아지는 지표로 쓰인다. 수소 투과율은 낮을수록 기체 누출을 막는 지표로 쓰인다.
 BNNF 첨가 시 EPDM 복합체는 영률 32.1% 증가와 수소 투과율 55.7% 감소를 보였으며 실리콘 복합체는 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. 
 결과적으로 개발한 기술은 단순한 기계적 강도 향상을 넘어 차단성, 내화학성, 전기화학적 성능을 모두 개선하며 수소 생산, 저장, 활용 등 전 주기에 걸쳐 비불소계 가스켓의 대체 가능성을 제시했다.
 연구팀은 현재 조기 실증과 기술이전을 추진하고 있으며 향후 수소전기차, 발전용 스택, 대형 수전해 설비 등 다양한 현장 적용이 가능할 것으로 기대된다.
 연구팀은 ”연구를 통해 수입 의존도가 높은 실리콘계 가스켓의 국산화 기반을 마련했다“고 밝혔다. 이영국 화학연 원장은 ”환경 규제에 대응 가능한 비불소계 대체 소재를 확보함으로써 비용 절감과 안전성 강화를 동시에 실현할 것“이라고 말했다. .
 연구 성과는 재료·화학 분야 국제학술지 '재료공학저널(Advanced Composites and Hybrid Materials)' 10월호 논문으로 게재됐다. 연구에 오근환 책임연구원 외에도 강홍석 인하대 교수, 최원종 화학연 학생연구원이 1저자로 참여했다.
 &lt;참고자료&gt; -DOI : https://doi.org/10.1007/s42114-025-01449-0
 [이채린 기자 rini113@donga.com]
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