프로톤 교환막 연료전지(PEMFC)는 지속 가능하고 고효율의 에너지 기술이다. 핵심 구성요소인 막 전극 어셈블리(MEA)는 전지 전체 성능을 좌우하며, 프로톤 교환막(PEM)은 프로톤 전도, 가스 분리, 효율에 결정적 역할을 한다. 현재 PEM 제조는 주로 용액 캐스팅법에 의존하나, 두께 불균일, 미세구조 제어 어려움 같은 문제가 있다. 고분자 개질 기술이 시도되었으나, 실제 적용 시 성능과 장기 안정성은 여전히 개선이 필요하다. 고온 PEMFC(HT-PEMFC)는 120~200°C의 고온에서 작동하여 복잡한 물 관리가 불필요하고, 불순물이 있는 수소 연료에 대한 내성, 폐열 활용이 가능하다는 장점이 있어 에너지 응용에 이상적이다. 그러나 인산(PA) 도핑 PEM의 주요 문제는 PA 용출로, 이로 인해 촉매층이 열화하고 효율이 저하된다.
최근, 유니버시티 칼리지 런던 연구팀은 구조와 계면의 시너지 강화를 갖춘 나노섬유 막 시스템을 개발했다. 연구 결과는 《사이언스 어드밴시스》(IF=12.5, 인용: Sci. Adv. 11, eadw5747 (2025))에 “연료전지 성능 향상과 최적화를 위한 나노섬유 막”이라는 제목으로 게재되었다. 나노섬유 구조와 표면 공학을 통해, 연구팀은 막의 프로톤 전도도, 기계적 강도, 전기화학적 성능 간 균형을 달성했다. 특히, 샌드위치 구조 나노섬유 막(SSNFM)은 100시간 가속 스트레스 시험 후 최대 전력 밀도 942mW cm⁻²를 달성해, 기존 상용 막의 520mW cm⁻²를 크게 앞섰다. 전기화학적 특성 분석 결과, 프로톤 전도도가 40.4mS cm⁻¹로 상용 막의 17.5mS cm⁻¹보다 높게 나타났다.
연구팀은 X선 컴퓨터 단층 촬영과 다상 시뮬레이션 등 다중 스케일 분석 방법을 사용해, 나노섬유 막이 촉진한 막 성능, 촉매층 안정성, 삼상 계면 형성의 개선을 밝혀내고, 이로 인한 효율적 전하 및 물질 수송을 규명했다. 또한, 연구팀은 표면 개질 다공성 PBI NFM 및 SSNFM MEA(160°C, 양극: H₂ 100ml min⁻¹, 음극: O₂ 100ml min⁻¹)를 전기화학적으로 평가했으며, 개방 회로 전압(OCV) 변화, 분극 곡선, 가속 스트레스 시험(AST) 안정성에서 우수한 성능을 확인했다. 이 연구에서 제안된 막 설계 전략은 지속 가능 에너지 응용에서 연료전지 성능을 높이기 위한 중요한 해결책을 제공한다.
