풍력 및 태양광 발전변동에 따른 양성자교환막수 전기분해 수소생산 기술 개발 및 응용 II

풍력 및 태양광 발전변동에 따른 양성자교환막수 전기분해 수소생산 기술 개발 및 응용 II

II. 수소 생산의 기본 특성 PEM 물 전기 분해 풍력 및 태양광 변동 전원 공급 장치에서
풍력 및 태양광 발전의 전력 공급이 변동하는 경우 전해조의 작동 매개변수가 일시적으로 변경되어 주요 구성 요소에 돌이킬 수 없는 손상을 일으킬 수 있습니다. 풍력 및 태양광 발전의 전력 공급 변동 하에서 수소 생산을 위한 PEM 수전해의 성능 특성을 탐색하는 PEM 전해조 구성 요소의 감쇠 메커니즘 및 평가 방법은 PEM 전해조 구성 요소에 대한 핵심 기술의 연구 및 개발에 큰 가치가 있습니다.

1. 풍력 및 태양광 발전 변동은 전해전지에 큰 영향을 미칩니다.
일반적으로 전해조의 입력 전압은 특정 범위 내에서 제어됩니다. 전해조의 입력 전력이 변동할 때 전해조의 전압은 약간 변하는 반면 전류는 크게 변동합니다. 실제 응용 분야에서 전압 안정화 제어를 채택하면 전해조의 입력 전력이 변경되면 전류가 급격히 변동하여 전극 반응 속도가 급격히 변하여 전해조가 안정적인 작동 상태에서 벗어나게 됩니다. 전극 반응 과전위의 존재로 인해 전압 입력은 이론 전압보다 상당히 높습니다. 물의 전기분해 반응은 흡열 반응이지만, 안정적인 전원 공급 조건에서도 오믹 손실에 의해 발생하는 줄(Joule) 열에 의해 전해조의 온도가 시간이 지남에 따라 점차 상승하게 됩니다. 시뮬레이션된 풍력 조건에서 전해조의 작동 특성을 보면, 과도 작동 조건에서 발전량의 변동에 따라 온도가 변하는 것을 알 수 있습니다. 전해조의 온도가 떨어지면 전극 반응 속도가 느려지고 효율이 감소합니다. 전력을 높이면 온도가 상승하고, 전극 표면의 산소 및 수소 생산량이 증가하면 전극 표면에 기포가 부착되어 촉매층의 이온 전달 저항이 증가하고 유효 반응 면적이 감소합니다. , 이에 따라 더 높은 반응 과전압이 발생하여 전해조의 전압이 증가합니다. 또한 기포의 부착과 흐름으로 인해 전극 표면에 전해질 공급이 고르지 않게 되어 반응이 고르지 않게 되고 전극 표면에 국부적인 핫스팟이 발생하게 됩니다.
최근 몇 년 동안 풍력 및 태양광 변동 전원이 전해전지의 성능 저하 또는 노후화에 미치는 영향에 대한 주제가 국내외 학자들로부터 많은 주목을 받았지만 일부 결론은 다릅니다. PEM 전해조의 500시간 내구성 시험을 통해 다양한 작동 모드에서 전해조의 성능 특성을 규명하였고, 빠른 사이클 작동 모드(태양광 발전 시뮬레이션)에서는 저항 저항이 감소하는 것으로 나타났습니다. , 전해조의 성능이 향상되었습니다. PEM 전해조의 1000h 내구성 시험 결과, 전해조의 성능 감쇠율은 194μV/h로 나타났으며, 감쇠량의 78%는 양극 다공성 전해조의 오믹 저항 증가에 따른 것으로 나타났다. 층; 풍력 및 태양광 변동 전원 공급 장치가 가역적 열화를 부분적으로 복원하고 전극 열화 문제를 약화시켰기 때문에 풍력 및 태양광 변동 전원 공급 장치 조건에서 전해 전지의 성능 감쇠가 크게 완화되었습니다. 다양한 입력 특성과 감쇠 메커니즘에서 전해조 성능의 장기적인 안정성에 대해서는 여전히 추가 연구가 필요합니다.

2. 풍력 및 태양광 발전 변동은 전해 전지 구성 요소의 열화를 가속화합니다.
1). 촉매층
전해조의 촉매층은 일반적으로 촉매(예: Pt, RuO2, Ir, IrO2와 같은 귀금속)와 바인더(예: 퍼플루오로술폰산)로 구성됩니다. 내구성을 높이기 위해 촉매층에는 일반적으로 TiO2, SnO2, Ta2O5, Nb2O5, Sb2O5, TaC, TiC와 같은 일부 전도성 담체 물질이 탑재됩니다. 위의 촉매는 PEM 전해질 전지의 고성능 요구 사항을 충족할 수 있지만 가혹한 작동 조건에서의 내구성은 만족스럽지 않습니다. 낮은 촉매 로딩 조건에서 양극의 성능은 더욱 심각하게 저하되며 해당 감쇠 메커니즘에는 주로 용해, 응집 및 캐리어 패시베이션이 포함됩니다. PEM 전해조에 대한 5500시간 내구성 테스트 결과, 촉매층의 부식과 Pt 촉매의 열화가 성능 저하를 일으키는 주요 요인인 것으로 나타났다.
2). 멤브레인 교환
전통적인 PEM 전해조에서 교환막은 기체 반응 생성물을 분리하고, 양성자를 운반하고, 음극 및 양극 촉매층을 지지하는 데 사용됩니다. 우수한 화학적 안정성, 기계적 강도, 열적 안정성, 양성자 전도성 및 기타 특성을 가져야 합니다. 교환막의 성능 저하는 주로 막 오염이나 화학적 열화로 인해 발생합니다. 안전성과 신뢰성의 관점에서 멤브레인의 내구성은 전해조에 매우 중요합니다. 막 손상으로 인해 생성된 수소와 산소가 직접 혼합될 수 있습니다. 교환막의 열화 메커니즘은 크게 기계적 열화, 열적 열화, 화학적/전기화학적 열화의 3가지로 구분된다.
3). 양극판
양극판은 전해조의 다기능 구성 요소입니다. 이는 효과적으로 전자를 전도하고 반응물/생성물 수송을 위한 채널을 제공하며 장비의 기계적 안정성과 무결성을 유지하고 열 관리의 구성 요소 역할을 합니다. 전해조의 주성분으로 PEM 전해조의 가격이 약 48%를 차지한다. 설계 및 제조는 높은 전도성, 내식성, 저렴한 비용 및 높은 기계적 강도에 대한 요구 사항을 충족해야 합니다. 그러나 풍력, 태양광 등 전력공급 변동에 따른 전압/전류 변화는 전해조 온도의 불균일 또는 급격한 변화로 이어져 응력 분포가 고르지 않거나 응력 변화가 반복되어 접촉 저항이 증가하고 기계적 성능에 변형이 발생합니다. 이는 궁극적으로 전해조의 내구성에 영향을 미칩니다.

3. 풍력 및 태양광 변동 전력 공급 시뮬레이션 방법
전해조 및 그 구성 요소에 대한 가속 부패 테스트, 수명 평가 및 내구성 연구 계획을 개발하면 재료의 부패 거동을 평가하고 재료의 부패 메커니즘을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다. PEM 전해전지의 내구성은 주로 특정 온도 및 압력 조건에서 정전류에 의해 평가됩니다. 전해조의 수명 테스트 시간은 상대적으로 길며(>4×104h), 해당 내구성 평가 비용도 상대적으로 높습니다. 현재 PEM 전해질 전지 부품에 대한 표준화되고 일반적으로 인정되는 내구성 평가 방법은 없습니다. 유럽의 학계 및 산업계는 오랫동안 전해전지의 성능, 효율성 및 내구성을 특성화, 테스트 및 평가하는 데 전념해 왔으며 풍부한 경험을 축적해 왔습니다. 대표적인 연구로는 가속 스트레스 테스트 방법을 사용하여 PEM 전해질 전지 막의 화학적 안정성을 평가하는 것, 다양한 풍력 및 태양 변동 전력 입력 파형이 PEM 전해 전지의 열화에 미치는 영향을 연구하고 구형파 및 톱니파 전원 공급 장치가 전극 열화를 크게 가속화한다고 믿습니다. 정전류 및 개방 회로 전압을 통해 전해 전지의 시동 및 정지 작동 모드를 시뮬레이션할 것을 제안하고 개방 회로 조건이 전해 전지의 성능 저하를 가속화할 수 있음을 발견했습니다. 가속감쇠는 일반적으로 전류밀도, 압력, 온도와 관련이 있다고 일반적으로 알려져 있으나, 풍력 및 태양광 변동전원 하의 전해전지에 대한 가속감쇠 시험방법 및 관련 표준화된 시행계획은 아직 부족한 실정이다. 단일 요소 조건에서의 테스트 방법은 풍력 및 태양광 변동 전원에서 전해전지의 감쇠 특성을 종합적으로 평가하기 어렵습니다.