불소계이온교환막 Nafion 구조 및 메커니즘

연료전지를 구성하는 소재 중 양성자(Proton)을 전달해주는 역할을 하는 이온교환막은 매우 중요한 소재 중 하나이다. 가장 널리 사용되는 Nafion은 미국의 Dupont사에서 개발한 불소계이온교환막이다. 위 제품의 구조와 메커니즘을 알아보자.

 

 

 

1. 구조 및 장단점

Nafion의 구조

Nafion은 고분자(Polymer)로써 Backbone으로 소수성인 테프론 구조를 가지며 친수성 기능기로 술폰산기 (-SO3H)를 갖고 있다. Backbone의 테프론 구조 때문에 물리적 화학적 안정성이 매우 뛰어나다. 양이온교환막으로 분류되며, 이온교환막의 주된 기능인 양성자 전도도 (Proton conductivity)가 우수하여 가장 널리 사용되는 이온교환막이다. 하지만 면적당 150불 정도의 가격이 매우 비싼 단점이 있다. 

 

 

 

2. Hopping 메커니즘

Naifon 이온 클러스터 (출처 : international journal of hydrogen energy 35 (2010) 9349-9384)

Nafion이 양성자(Proton)을 전달하는 메커니즘은 다음과 같다. 이온교환막이 수화되면 위 그림과 같은 이온클러스터(Ion cluster) 채널이 형성된다. 클러스터의 크기는 작게는 1.0nm, 크게는 4.0nm의 크기를 가지며, 이렇게 형성된 이온클러스터의 술폰산기 (-SO3H)의 Proton hopping (grotthuss) 메커니즘을 통해 양성자(Proton)가 전도된다.

Proton hopping 메커니즘 (출처 : international journal of hydrogen energy 35 (2010) 9349-9384)

위 그림과 같이 양성자 한개가 hopping을 통해 기능기로 옮겨 가면 연속적인 hopping이 일어나면서 전달되는 개념이다. Nafion의 양성자 전도도 (Proton conductivity)는 이온교환막의 두께가 얇을수록 우수한데, 그 이유는 두께가 얇을수록 Proton이 통과해야할 거리가 줄어들기 때문에 전도도가 높아지는 것이다. 

 

 

 

이러한 과불소계이온교환막을 대체하고자 여러 개발 및 연구가 진행되고 있지만 우수한 양성자 전도도 및 내구성 떄문에 대체품을 찾기가 매우 어렵다. 하루 빨리 이런 문제들을 해결할 수 있는 제품이 나오길 바란다.