양성자 교환막

양성자 교환막() 또는 고분자 전해질막(, PEM)은 일반적으로 아이오노머로 만들어진 반투과성 막으로, 전자 절연체 및 산소 및 수소 가스와 같은 반응물 장벽 역할을 하면서 양성자를 전도하도록 설계되었다. 이는 양성자 교환막 연료 전지 또는 양성자 교환막 전해조의 막 전극 접합체(MEA)에 통합될 때의 필수적인 기능이다. 즉, 반응물을 분리하고 양성자를 수송하면서 막을 통한 직접적인 전자 경로를 차단한다.

PEM은 순수 중합체 막 또는 복합 막으로 만들 수 있으며, 이 경우 다른 재료가 중합체 매트릭스에 내장된다. 가장 일반적이고 상업적으로 사용 가능한 PEM 재료 중 하나는 불소수지(PFSA) Nafion이며, 듀폰 제품이다. Nafion은 테플론과 같은 과불소화된 주쇄를 가진 이오노머이지만, 양성자 교환막용 이오노머를 만드는 데 사용되는 다른 많은 구조적 모티프가 있다. 많은 것들이 폴리아로마틱 중합체를 사용하는 반면, 다른 것들은 부분적으로 불소화된 중합체를 사용한다.

양성자 교환막은 주로 양성자 전도도(σ), 메탄올 투과성(P), 열 안정성으로 특징지어진다.

PEM 연료 전지는 물에 포화될 때 양성자에는 투과성이 있지만 전자에는 비전도성인 고체 고분자막(얇은 플라스틱 필름)을 사용한다.

 역사 
섬네일|274x274px|양성자 교환막 기술의 발명가인 레너드 니드락(왼쪽)과 토마스 그럽(오른쪽).
초기 양성자 교환막 기술은 1960년대 초 제너럴 일렉트릭에서 근무하던 화학자 레너드 니드락(Leonard Niedrach)과 토마스 그럽(Thomas Grubb)에 의해 개발되었다. 제미니 계획 우주 비행 프로그램에 사용될 이 막의 연구 및 개발에 상당한 정부 자원이 투입되었다. 수많은 기술적 문제로 인해 미국 항공 우주국은 제미니 1-4호 임무에서 양성자 교환막 연료 전지 대신 용량은 낮지만 더 신뢰할 수 있는 대안으로 배터리를 사용했다. 개선된 세대의 제너럴 일렉트릭 PEM 연료 전지는 이후 모든 제미니 임무에 사용되었지만, 이후 아폴로 임무에서는 폐기되었다. 오늘날 가장 널리 사용되는 양성자 교환막 재료인 불소화된 이오노머 Nafion은 듀폰의 플라스틱 화학자 발터 그로트(Walther Grot)에 의해 개발되었다. 그로트(Grot)는 또한 이를 전기화학 분리막으로서의 유용성을 입증했다.

2014년 맨체스터 대학교의 안드레 가임은 양성자만을 통과시키는 그래핀과 질화 붕소의 원자 두께 단층에 대한 초기 연구 결과를 발표하여 불소화된 이오노머의 PEM 재료를 대체할 수 있는 잠재력을 보였다.

 연료 전지 
PEMFC는 고체산화물 연료전지(SOFC)와 같은 다른 유형의 연료 전지에 비해 몇 가지 장점을 가지고 있다. PEMFC는 낮은 온도에서 작동하며, 더 가볍고 작아서 자동차와 같은 응용 분야에 이상적이다.
그러나 단점으로는 약 80°C의 작동 온도가 SOFC와 같은 열병합발전에 비해 너무 낮고, PEMFC의 전해액은 물로 포화되어야 한다는 점이 있다. 그러나 토요타 미라이를 포함한 일부 연료 전지 자동차는 가습기 없이 작동하며, 빠른 물 생성과 얇은 막을 통한 높은 역확산율을 이용하여 막과 촉매층의 이오노머 수분을 유지한다.

고온 PEMFC는 100°C에서 200°C 사이에서 작동하여 전극 반응 속도론 및 열 관리, 그리고 특히 개질수 내 CO와 같은 연료 불순물에 대한 내성을 향상시키는 이점을 제공할 수 있다. 이러한 개선은 전체 시스템 효율성을 높일 수 있다. 그러나 금본위제 과불소화 술폰산(PFSA) 막은 수분 공급이 약 100% 미만으로 떨어지면 100°C 이상에서 빠르게 기능이 저하되고, 이 온도 범위에서 크리프 현상이 발생하여 국소적인 박형화와 전반적인 시스템 수명 단축을 초래하기 때문에 이러한 이점은 아직 실현되지 않았다. 결과적으로 프로톤성 유기 이온성 플라스틱 결정(POIPC) 및 프로톤성 이온성 액체와 같은 새로운 무수 양성자 전도체가 적합한 PEM 개발을 위해 활발히 연구되고 있다.

PEMFC의 연료는 수소이고, 전하 운반체는 수소 이온(양성자)이다. 양극에서는 수소 분자가 수소 이온(양성자)과 전자로 분리된다. 수소 이온은 전해질을 가로질러 음극으로 침투하고, 전자는 외부 회로를 통해 흐르며 전력을 생산한다. 산소는 일반적으로 공기 형태로 음극에 공급되어 전자 및 수소 이온과 결합하여 물을 생성한다. 전극에서의 반응은 다음과 같다.

양극 반응:
2H2 → 4H+ + 4e−
음극 반응:
O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O
전체 전지 반응:
2H2 + O2 → 2H2O + 열 + 전기 에너지

이론적인 발열 전위는 전체적으로 +1.23 V이다.

 응용 분야 
양성자 교환막의 주요 응용 분야는 PEM 연료 전지이다. 이 연료 전지는 항공 우주, 자동차 및 에너지 산업을 포함하여 다양한 상업 및 군사 응용 분야에 사용된다.

초기 PEM 연료 전지 응용 분야는 항공 우주 산업에 집중되었다. 당시 배터리에 비해 연료 전지의 높은 용량은 미국 항공 우주국의 제미니 계획이 이전에 시도되었던 것보다 더 긴 기간의 우주 임무를 목표로 삼기 시작하면서 이상적인 솔루션이 되었다.

, 자동차 산업뿐만 아니라 개인 및 공공 발전이 양성자 교환막 연료 전지의 가장 큰 시장이다. PEM 연료 전지는 상대적으로 낮은 작동 온도와 영하의 조건에서도 빠르게 시동을 걸 수 있는 능력 때문에 자동차 응용 분야에서 인기가 많다. 2019년 3월 기준으로 미국에는 6,558대의 연료 전지 차량이 운행 중이며, 토요타 미라이가 가장 인기 있는 모델이다. PEM 연료 전지는 다른 형태의 중장비에서도 성공적으로 구현되었으며, Ballard Power Systems는 이 기술을 기반으로 한 지게차를 공급하고 있다. 자동차 PEM 기술이 직면한 주요 과제는 수소의 안전하고 효율적인 저장이며, 현재 연구 활동이 활발한 분야이다.

양성자 교환막 전기 분해는 양성자 교환막을 사용하여 물을 수소와 산소 가스로 분해하는 기술이다. 양성자 교환막은 생산된 수소를 산소와 분리하여 필요한 대로 각 제품을 활용할 수 있도록 한다. 이 과정은 미국 및 영국 왕립 해군 잠수함과 같은 선박의 수소 연료 및 생명 유지 시스템용 산소를 생성하는 데 다양하게 사용되었다. 최근 사례로는 퀘벡에 에어리퀴드의 20 MW PEM 전해조 공장 건설이 있다. 유사한 PEM 기반 장치는 오존의 산업 생산에도 사용 가능하다.

 같이 보기 

 알칼리 음이온 교환막
 인공막
 건조 전해질
 동적 기계 분석
 물의 전기분해
 전기삼투 펌프
 가스 확산 전극
 동위 원소 전기 화학
 막 전극 접합체
 양성자 교환막 전기 분해
 롤투롤 공정

 각주 

 외부 링크 
 Dry solid polymer electrolyte battery
 EC-supported STREP program on high pressure PEM water electrolysis

분류:고분자
분류:전기화학
분류:연료전지
분류:수소 기술
분류:막 기술
분류:양성자