PEM 수전해 수소생산 기술의 장점

장점 PEM 물 전기분해 수소 생산 기술

물 전기분해에 의한 수소 생산은 직류의 작용으로 물 분자가 산소와 수소로 해리되는 것을 말하며, 이는 전해조의 양극과 음극에서 각각 침전됩니다.

전해조 다이어프램의 재질에 따라 물 전기분해에 의한 수소 생산은 일반적으로 알칼리수 전기분해(ALK), 양성자 교환막(PEM) 물 전기분해 및 고온 고체 산화물 물 전기분해(SOEC). 그 중 PEM 수전해 수소생산은 양성자교환막을 고체전해질로 하고, 순수를 물을 전기분해해 수소를 생산하는 원료로 사용하는 수소생산공정을 말한다. PEM 물 전해조의 주요 구성 요소는 양성자 교환막, 양극 및 음극 촉매층, 음극 및 음극 가스 확산층, 음극 및 음극 끝판 등 내부에서 외부로 구성됩니다. 그 중 확산층, 촉매층, 양성자 교환막은 막전극을 구성하며, 이는 물 전해조 전체의 물질 전달과 전기화학적 반응의 주요 장소이다. 막전극 특성과 구조는 PEM 수전해기의 성능과 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

전통적인 알칼리수 전기분해 수소 생산과 비교하여 PEM 수소 생산은 다음과 같은 장점이 있습니다.

(1) 고순도, 무공해 PEM 수소 제조는 양성자 교환막 고체 전해질을 사용하고, 생성된 가스는 탈알칼리 처리가 필요 없으며, 분자 수준의 미세 다공성 이온막의 두께가 매우 얇아 쉽지 않습니다. 수소 역삼투를 생성합니다. PEM 유형은 순수한 물, 첨가물, 부식성 액체만 필요하지 않으므로 환경을 오염시키지 않으며 가스 순도도 높습니다. 전통적인 알칼리성 전해질은 15% NaOH 또는 30% KOH를 추가해야 하므로 전해질은 부식성이 높고 세척액을 생성하여 로드 파이프라인을 오염시키기 쉽습니다.

(2) 높은 변환 효율. PEM형 촉매전극은 이온막의 양면과 내부 기공에 밀착되어 있는 분자수준의 미세다공성 전극입니다. 반응 면적이 크고 변환 효율이 높은 장점을 지닌 제로 거리 촉매 전극입니다. 그러나 전통적인 알칼리 전극은 거리가 짧고 전극 간 저항이 커서 전류가 크고 발열이 높으며 변환 효율이 낮다는 한계가 있습니다.

(3) 가볍고 작은 크기. PEM형 전해조의 2단 챔버의 컬렉터 구조는 소형이고 유연하여 전해조를 경량화하고 크기를 작게 만듭니다. 무게는 동일한 수소 생산량을 가진 일반 전해조의 1/3에 불과합니다. 장점은 전극 간 거리가 0이고 셀의 내부 저항이 작다는 것입니다. 전통적인 알칼리 전해조의 전극실에 있는 집전체는 탄력이 없어 전기 에너지의 열 손실이 크고 변환 효율이 낮습니다.

(4) 신재생에너지 발전의 변동성에 적응 가능
PEM 물 전기분해 수소 생산 시스템은 빠른 응답 속도를 가지며 동적 작동에 적응하므로 풍력 및 태양 에너지와 같은 재생 에너지의 고르지 않고 간헐적이며 휘발성이 높은 전송에 매우 적합합니다.

기술적인 관점에서 볼 때, 사용되는 전해조는 구조가 작고 크기가 작으며 급격한 부하 변화에 도움이 됩니다. 전해조는 고효율, 높은 가스 순도, 낮은 에너지 소비 및 안전성과 신뢰성이 크게 향상되어 재생 에너지의 변동성에 더 적합합니다. 따라서 PEM 수전해 기술은 수소생산 분야에서 가장 유망한 수전해 수소생산 기술 중 하나로 평가받고 있다.

그러나 PEM 전해조는 산성도가 높고 산화성이 높은 작업 환경에서 작동해야 하기 때문에 장비는 이리듐, 백금, 티타늄과 같은 고가의 금속 재료에 더 많이 의존하므로 비용이 과도하게 높아집니다. 이는 PEM 수소생산 기술의 발전과 연구개발 방향을 제약하는 병목현상이기도 하다.