연료전지와 수전해 장치는 연료, 산소, 냉각수 등이 셀 내부를 순환하기 때문에 밀폐 가스켓의 성능이 저하되면 시스템 효율이 떨어지고 심각한 안전사고를 초래할 수 있다.
기존 불소계 및 실리콘 가스켓은 성능이 우수하지만 높은 가격과 PFAS 등 환경 규제로 활용에 제약이 있다.
반면 실리콘과 EPDM 소재는 가격 경쟁력과 가공성은 뛰어나지만 수소 차단성과 내화학성이 부족했다.
실리콘계 가스켓 국산화 기반
한국화학연구원(이하 화학연)이 연료전지 및 수전해 스택의 내구성과 폭발 안전성에 직접적인 영향을 미치는 가스켓의 안전성과 효율성을 동시에 높이는 기술을 개발했다.
화학연 오근환 박사팀은 2차원 ‘질화붕소 나노플레이크(BNNF)’를 기능화해 실리콘과 합성고무(EPDM) 기반 실링 가스켓에 적용, 기계적 강도, 수소 차단성능, 화학적 및 열적 안정성을 동시에 높이는 데 성공했다.
BNNF는 육각형 벌집 모양의 2차원 층상 구조를 가진 전기 절연, 가스 차단성이 우수한 소재로 활용된다.
연구팀은 ‘파이렌메틸 메타크릴레이트(1-PMA)’로 BNNF를 기능화해 고분자 사슬과 C-C 결합을 형성하고, 소재 내부에 조밀한 네트워크 구조를 구축했다.
이를 통해 수소분자의 투과를 효과적으로 차단하는 ‘미로 효과’를 극대화하고, 고온 및 가혹한 환경에서도 구조적 안정성을 유지토록 했다.
연구팀은 0.5 wt%(웨이트퍼센트, 전체 무게 중 0.5%)의 BNNF 첨가만으로 영률과 수소 투과율의 가시적 성능 향상을 이끌어냈다.
영률은 소재가 늘어나거나 휘어질 때의 탄성 강도를 나타내는 지표로, 값이 클수록 잘 휘지 않고 단단함을 의미한다. 영률이 높을수록 소재가 딱딱해 가스켓이 압력에 눌려도 모양이 잘 유지되어 밀폐 성능이 높아지고, 수소 투과율은 낮을수록 기체 누출을 막는 지표다.
실제 BNNF 첨가 시 EPDM 복합체는 영률 32.1% 증가와 수소 투과율 55.7% 감소, 실리콘 복합체는 영률 96.6% 향상, 기체 투과율 42.7% 감소 등 밀폐성능 향상을 확인했다.
아울러 내화학성 평가에서 225시간 동안 산성 및 알칼리 노출 조건에서 질량손실이 EPDM 복합체는 각각 6.6%와 3.8%, 실리콘 복합체는 0.2%와 2.1%를 기록하며 안정성을 입증했다.
또 단전지 평가에서는 상용 가스켓과 동등하거나 일부 조건에서는 이를 능가하는 전류밀도를 기록했다.
특히 PEMFC 내부 압력이 균일하게 분포돼 전극 간 접촉 저항이 감소하는 효과가 관찰됐다.
이는 1-PMA로 기능화된 BNNF가 균일하게 분산돼 미로효과를 형성하고 C-C 가교구조를 통해 안정성을 강화했기 때문으로 분석됐다.
이에 따라 이 기술은 단순한 기계적 강도 향상을 넘어 차단성, 내화학성, 전기화학적 성능을 모두 개선함으로써 수소의 생산, 저장, 활용 등 전 주기에 걸쳐 비불소계 가스켓의 대체 가능성을 제시했다.
이 기술은 수소전기차, 발전용 스택, 대형 수전해 설비 등 다양한 현장 적용이 가능할 것으로 기대된다.
오 박사는 ”이번 연구를 통해 수입 의존도가 높은 실리콘계 가스켓의 국산화 기반을 마련했다“며 ”차세대 친환경 에너지 장치에서 요구되는 고성능·고내구성 가스켓 개발의 새로운 방향을 제시했으며, 가스켓이 사용되는 다양한 산업 분야에도 폭넓게 적용될 수 있을 것“이라고 설명했다.
한편, 이번 연구는 최원종 화학연 학생연구원이 제1저자로 수행했고, 연구결과는 국제학술지 ‘Advanced Composites and Hybrid Materials(IF : 21.8)’ 10월호 논문으로 게재됐다.
(논문명:Enhanced performance and durability of sealing gasket for polymer electrolyte membrane fuel cells and water electrolyzer by C–C coupling of functionalized 2D boron nitride nanoflakes / DOI : https://doi.org/10.1007/s42114-025-01449-0)
