양성자교환막

Proton-exchange membrane

양성자 교환막, 즉 폴리머 전극막(PEM)은 일반적으로 아이오노머로 만들어지며, 전자 절연체와 반응제 장벽(예: 산소 및 수소 가스)으로 작용하면서 양성자를 전도하도록 설계된 반투과성 막이다.[1] 이는 양성자 교환막 연료전지 또는 양성자 교환막 전해액의 막 전극 조립체(MEA)에 통합될 때 필수적인 기능이다. 즉, 막을 통과하는 직접 전자 경로를 차단하면서 반응제 분리 및 양성자 수송이다.

PEM은 순수한 폴리머 막이나 다른 물질들이 폴리머 매트릭스에 내장되어 있는 복합막으로 만들어질 수 있다. 가장 흔하고 상업적으로 구할 수 있는 PEM 재료 중 하나는 듀폰 제품인 플루오폴리머(PFSA)[2] 나피온이다.[3] 나피온은 테플론처럼 과불화 등뼈를 가진 아이노머인 반면, 양성자 교환막을 위한 아이노머를 만드는 데 사용되는 구조 모티브가 많이 있다.[4] 다면성 중합체를 사용하는 반면 일부 불소성 중합체를 사용하는 사람도 많다.

양성자 교환막은 주로 양성자 전도성(σ性), 메탄올 투과성(P), 열 안정성이 특징이다.[5]

PEM 연료전지는 고체 고분자막(가느다란 플라스틱 필름)을 사용하는데, 이 막은 물에 포화되었을 때 양자에 스며들 수 있지만 전자를 전도하지 않는다.

역사

레오나드 니드라흐(왼쪽)와 토마스 그루브(오른쪽) 양성자 교환막 기술 발명가.

초기 양성자 교환막 기술은 제너럴 전기 회사에서 일하는 화학자인 레오나드 니드라흐와 토마스 그루브에 의해 1960년대 초에 개발되었다.[6] NASA의 제미니 프로젝트 우주 비행 프로그램에 사용하기 위한 이 막의 연구와 개발에 상당한 정부 자원이 투입되었다.[7] NASA는 여러 기술적 문제로 인해 저용량이지만 제미니 임무 1-4를 위한 보다 신뢰할 수 있는 대안으로 배터리에 유리한 양성자 교환막 연료 전지의 사용을 포기했다.[8] 발전된 제너럴 일렉트릭의 PEM 연료전지는 이후의 모든 제미니 임무에 사용되었지만, 이후 아폴로 임무를 위해 폐기되었다.[9] 오늘날 가장 널리 이용되고 있는 양성자 교환 막 재료인 불소 아이오노머 나피온은 듀폰 플라스틱 화학자 발터 그로트가 개발했다. 그로트는 전기화학 분리막으로서의 유용성도 입증했다.[10]

2014년 맨체스터 대학의 안드레 게이(Andre Geim)는 그래핀과 질산 붕소의 원자두께 단열재에 대한 초기 결과를 발표했는데 양성자만이 이 물질을 통과할 수 있게 해 PEM 재료로 불소 아이노머를 대체할 수 있게 되었다.[11][12]

연료 전지

PEMFC는 고체산화물 연료전지(SOFC)와 같은 다른 유형의 연료전지에 비해 몇 가지 장점이 있다. PEMFC는 낮은 온도에서 작동하고, 가볍고, 컴팩트해서 자동차와 같은 용도에 이상적이다. 그러나 일부 단점은 SOFC와 같이 열병합발전에 비해 약 80 °C의 작동 온도가 너무 낮다는 것과 PEMFC의 전해액이 수분 포화 상태여야 한다는 것이다. 그러나 도요타 미라이를 비롯한 일부 연료전지 자동차는 가습기 없이 작동하며, 가습기 없이 막의 수화유지를 유지하기 위해 박막을 통한 높은 역분해율에 의존하여 막의 수화유지를 유지한다.

고온 PEMFC는 100 °C~200 °C 사이에서 작동하며, 잠재적으로 전극 동력학 및 열 관리에서 이점을 제공하며, 불순물 연료에 대한 내성이 향상되며, 특히 리폼이트에서 CO가 더 우수하다. 이러한 개선은 잠재적으로 전체적인 시스템 효율을 높일 수 있다. 그러나 수분이 ~100% 이하로 떨어지면 100℃ 이상에서 금본위 과불화황산(PFSA) 막이 급격히 기능을 상실하고 이 온도 범위에서 기어가기 시작하여 국소적으로 얇아지고 전체적으로 시스템 수명이 낮아지기 때문에 이러한 이득은 아직 실현되지 않았다. 그 결과, 적절한 PEM 개발을 위해 양성 유기 이온 플라스틱 결정(POIPCs), 양성 이온 액체와 같은 새로운 무수 양성자 도체가 활발하게 연구되고 있다.[13][14][15]

PEMFC의 연료는 수소, 충전 캐리어는 수소 이온(프로톤)이다. 양극에서 수소 분자는 수소 이온(프로톤)과 전자로 갈라진다. 수소 이온은 전해질을 가로질러 음극으로 스며드는 반면 전자는 외부 회로를 통해 흐르며 전력을 생산한다. 산소는 보통 공기의 형태로 음극에 공급되고 전자와 수소 이온과 결합하여 물을 생산한다. 전극에서의 반응은 다음과 같다.

양극 반응:
2H2 → 4H+ + 4e−
음극 반응:
O2 + 4H+ + 4e− → 2H2O
전체 세포 반응:
2H2 + O2 → 2HO2 + 열 + 전기 에너지

이론적 발열 전위는 전체적으로 +1.23V이다.

적용들

양성자 교환막의 1차 적용은 PEM 연료전지에 있다. 이 연료전지는 항공우주, 자동차, 에너지 산업을 포함한 매우 다양한 상업적, 군사적 응용 분야를 가지고 있다.[16][17]

초기 PEM 연료 전지 애플리케이션은 항공우주 산업 내에서 집중되었다. 당시 배터리에 비해 연료전지의 용량이 더 컸던 것은 나사의 제미니 프로젝트가 이전에 시도했던 것보다 더 오랜 기간 동안 우주 임무를 목표로 하기 시작했기 때문에 연료전지를 이상적으로 만들었다.[16]

자동차 산업은 물론 개인 및 공공 발전은 오늘날 양성자 교환 막 연료 전지의 최대 시장이다.[18] PEM 연료전지는 상대적으로 낮은 작동온도와 냉동상태 이하에서도 빠르게 시동할 수 있는 능력 때문에 자동차 분야에서 인기가 높다.[19] 2019년 3월 현재 미국 도로에는 6,558대의 연료전지 차량이 운행 중이며, 도요타 미라이가 가장 인기 있는 모델이다.[20] 캘리포니아는 43개로 수소 주유소에서 미국을 앞서고 있으며, 캘리포니아 에너지위원회는 커버리지 확대를 위해 2023년까지 연간 2,000만 달러의 자금 지원을 받을 수 있다.[21] PEM 연료전지는 발라드 파워시스템이 이 기술을 기반으로 지게차를 공급하는 등 다른 형태의 중장비에서도 성공적으로 구현됐다.[22] 자동차 PEM 기술이 직면한 일차적인 도전은 현재 높은 연구 활동의 영역인 수소의 안전하고 효율적인 저장이다.[19]

폴리머 전해질막전해술은 물을 수소와 산소 가스로 분해하기 위해 양성자 교환막을 사용하는 기술이다.[23] 양성자 교환막은 생산된 수소를 산소에서 분리할 수 있도록 하여 어느 제품이든 필요에 따라 착취할 수 있게 한다. 이 과정은 미국이나 영국 해군 잠수함 같은 선박의 생명 유지 시스템을 위한 수소 연료와 산소를 생성하는 데 다양하게 사용되어 왔다.[16] 최근의 예는 퀘벡에 20 MW의 에어 리퀴드 PEM 전해질 공장 건설이다.[24] 유사한 PEM 기반 장치가 오존의 산업 생산에 이용 가능하다.[25]

참고 항목

참조

  1. ^ Alternative electrochemical systems for ozonation of water. NASA Tech Briefs (Technical report). NASA. 20 March 2007. MSC-23045. Retrieved 17 January 2015.
  2. ^ Zhiwei Yang; et al. (2004). "Novel inorganic/organic hybrid electrolyte membranes" (PDF). Prepr. Pap.-Am. Chem. Soc., Div. Fuel Chem. 49 (2): 599.
  3. ^ 미국 특허권 5266421, 타운젠드, 칼 W. & 나셀로우, 아서 B, "향상된 막-전극 인터페이스" 2008-11-30, 휴즈 항공기에 할당됨
  4. ^ Gabriel Gache (17 December 2007). "New Proton Exchange Membrane Developed – Nafion promises inexpensive fuel-cells". Softpedia. Retrieved 18 July 2008.
  5. ^ Nakhiah Goulbourne. "Research Topics for Materials and Processes for PEM Fuel Cells REU for 2008". Virginia Tech. Archived from the original on 27 February 2009. Retrieved 18 July 2008.
  6. ^ Grubb, W. T.; Niedrach, L. W. (1 February 1960). "Batteries with Solid Ion‐Exchange Membrane Electrolytes: II . Low‐Temperature Hydrogen‐Oxygen Fuel Cells". Journal of the Electrochemical Society. 107 (2): 131. doi:10.1149/1.2427622. ISSN 1945-7111.
  7. ^ Young, George J.; Linden, Henry R., eds. (1 January 1969). Fuel Cell Systems. Advances in Chemistry. Vol. 47. WASHINGTON, D.C.: AMERICAN CHEMICAL SOCIETY. doi:10.1021/ba-1965-0047. ISBN 978-0-8412-0048-7.
  8. ^ "Barton C. Hacker and James M. Grimwood. On the Shoulders of Titans: A History of Project Gemini. Washington, D. C.: National Aeronautics and Space Administration. 1977. Pp. xx, 625. $19.00". The American Historical Review. April 1979. doi:10.1086/ahr/84.2.593. ISSN 1937-5239.
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  12. ^ Karnik, Rohit N. (26 November 2014). "Breakthrough for protons". Nature. 516 (7530): 173–174. Bibcode:2014Natur.516..173K. doi:10.1038/nature14074. PMID 25470064. S2CID 4390672.
  13. ^ Jiangshui Luo; Annemette H. Jensen; Neil R. Brooks; Jeroen Sniekers; Martin Knipper; David Aili; Qingfeng Li; Bram Vanroy; Michael Wübbenhorst; Feng Yan; Luc Van Meervelt; Zhigang Shao; Jianhua Fang; Zheng-Hong Luo; Dirk E. De Vos; Koen Binnemans; Jan Fransaer (2015). "1,2,4-Triazolium perfluorobutanesulfonate as an archetypal pure protic organic ionic plastic crystal electrolyte for all-solid-state fuel cells". Energy & Environmental Science. 8 (4): 1276. doi:10.1039/C4EE02280G.
  14. ^ Jiangshui Luo, Olaf Conrad; Ivo F. J. Vankelecom (2013). "Imidazolium methanesulfonate as a high temperature proton conductor" (PDF). Journal of Materials Chemistry A. 1 (6): 2238. doi:10.1039/C2TA00713D.
  15. ^ Jiangshui Luo; Jin Hu; Wolfgang Saak; Rüdiger Beckhaus; Gunther Wittstock; Ivo F. J. Vankelecom; Carsten Agert; Olaf Conrad (2011). "Protic ionic liquid and ionic melts prepared from methanesulfonic acid and 1H-1,2,4-triazole as high temperature PEMFC electrolytes" (PDF). Journal of Materials Chemistry. 21 (28): 10426–10436. doi:10.1039/C0JM04306K.
  16. ^ a b c "Collecting the History of Proton Exchange Membrane Fuel Cells". americanhistory.si.edu. Smithsonian Institution. Retrieved 19 April 2021.{{cite web}}: CS1 maint : url-status (링크)
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  19. ^ a b Li, Mengxiao; Bai, Yunfeng; Zhang, Caizhi; Song, Yuxi; Jiang, Shangfeng; Grouset, Didier; Zhang, Mingjun (23 April 2019). "Review on the research of hydrogen storage system fast refueling in fuel cell vehicle". International Journal of Hydrogen Energy. 44 (21): 10677–10693. doi:10.1016/j.ijhydene.2019.02.208. ISSN 0360-3199.
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  21. ^ "Alternative Fuels Data Center: Hydrogen Basics". afdc.energy.gov. Retrieved 19 April 2021.
  22. ^ "Material Handling - Fuel Cell Solutions Ballard Power". www.ballard.com. Retrieved 19 April 2021.
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  25. ^ [1], 2011-05-16년 발행된 "PEM(프로톤 교환막) 저전압 전기분해 오존 발생 장치"

외부 링크