PEM 전해수소 생산 시 수질이 에너지 소비에 미치는 영향

양성자 교환막(PEM) 전기분해 기술은 높은 효율, 높은 전류 밀도, 넓은 온도 적응성, 그리고 빠른 응답 속도 덕분에 주류 기술 중 하나로 자리 잡았습니다. 대부분의 연구는 PEM 전해조 실증에 집중되어 있지만, 새로운 촉매 개발이나 양성자 교환막, 시스템 및 급수 최적화의 개선은 여전히 ​​중요한 과제로 남아 있습니다. 따라서 본 연구에서는 pH, 총용존고형물(TDS), 전도도 등 수질 변수가 PEM 전해조의 에너지 소비에 미치는 영향을 중점적으로 분석하여 수소 생산을 최적화합니다. 이러한 변수들은 종종 상호 연관되어 있으며 전기분해 성능에 영향을 미칩니다.

작동 원리 PEM 전해조 전극에서 물을 수소와 산소로 전기화학적 분해하는 과정을 포함합니다. 물은 주요 반응 매질이므로, 물의 수질은 전기분해 효율과 에너지 소비에 직접적인 영향을 미칩니다. 주요 수질 요인으로는 pH, TDS, 전도도가 있습니다. 예를 들어, pH는 산소 환원 반응 전위를 변화시켜 에너지 소비에 영향을 미칠 수 있지만, 과도한 pH는 막 성능 저하를 유발할 수 있습니다. 낮은 전도도는 에너지 소비를 줄이는 데 도움이 될 수 있지만, 지나치게 높은 전도도는 막을 손상시킬 수 있습니다. TDS는 물의 전도도와 관련이 있으며 스케일링 문제를 일으킬 수 있습니다. 미국재료시험학회(ASTM)는 Type I 탈이온수(총 유기 탄소) 사용을 권장합니다. <50 ppb, 저항률 >1 MΩ·cm, 나트륨 및 염소 <5µg/L). 그러나 실제 수원에는 불순물이 포함되어 있는 경우가 많아 정수 비용이 증가합니다. 연구에 따르면 TDS가 0이면 수소가 생성되지 않지만, 높은 TDS 농도(0~2000ppm)는 수소 생성을 증가시키는 것으로 나타났습니다.

1. pH가 가스 생산 및 에너지 소비에 미치는 영향

수소 생산을 위한 PEM 수전해 효율(가스 생성 및 에너지 소비 포함)은 전해질의 pH와 밀접한 관련이 있습니다. 핵심 요건은 pH가 전기분해 시스템에 맞게 설계된 "최적 범위" 내에 있어야 한다는 것입니다. 이 범위를 벗어나면(너무 산성이거나 너무 알칼리성일 경우) 시스템 성능이 크게 저하됩니다. 지나치게 산성이거나 알칼리성인 환경은 촉매를 최적의 작동 조건에서 벗어나게 하거나, 화학적 활성을 감소시키거나, 심지어 구조적 손상을 유발하여 수소 발생 반응(HER) 및 산소 발생 반응(OER) 속도를 저하시킬 수 있습니다. 또한, 극단적인 pH 조건은 양성자 교환막(PEM)의 수화 상태와 화학적 안정성에 영향을 미쳐 효율적인 수소(H⁺) 수송을 저해하고 반응물의 "공급 중단"을 유발할 수 있습니다. 지나치게 산성인 환경은 전극을 부식시키고 활성 부위를 덮는 침전물을 생성할 수 있으며, 지나치게 알칼리성인 환경은 불순물 침전을 유발하여 에너지 낭비를 증가시킬 뿐만 아니라 가스 생성을 더욱 억제하여 가스 생성을 감소시킬 수 있습니다.

2. 총 용해 고형물(TDS)이 가스 생산 및 에너지 소비에 미치는 영향

TDS는 물에 용해된 무기 및 유기 물질의 총 농도를 나타내며, 수질을 평가하는 핵심 지표입니다. TDS 농도가 높을수록 가스 생성량이 증가하는 데, 이는 높은 TDS가 수소 생성을 촉진하는 촉매 역할을 할 수 있기 때문입니다. 반대로, TDS 농도가 낮으면 가스 생성량이 제한적이며, TDS가 0이면 수소가 생성되지 않습니다.

TDS는 에너지 소비에 상당한 영향을 미칩니다. 높은 TDS는 물의 전도도를 높이지만 전해조의 전압을 높여 에너지 소비를 증가시킵니다. 동시에 TDS는 전극이나 분리막에 스케일링을 유발하여 효율을 저하시킬 수 있습니다. 이러한 영향을 완화하기 위해 역삼투압이나 탈이온화와 같은 수처리 기술을 사용하여 TDS를 줄이고 에너지 소비를 최적화하는 것이 좋습니다.

3. 가스 생산에 대한 전도도의 영향

전도도는 물 속 이온 농도를 반영하는 또 다른 중요한 매개변수입니다. 높은 전도도는 양극 산소 환원 반응(OER)의 과전압을 감소시켜 에너지 수요를 감소시킬 수 있습니다. 그러나 전도도가 지나치게 높으면 막 손상 및 펌핑 에너지 소비 위험이 증가합니다.

4. 다양한 수질이 에너지 소비에 미치는 영향

해수, 우물물, 탈이온수가 PEM 전해조에 미치는 영향 비교:

• 바닷물: 용해된 염분과 미네랄이 많으면 전도도는 높아지지만 저항도 커져 더 높은 전압이 필요하고 에너지 소비도 늘어납니다.

• 우물물: 용해된 물질이 적기 때문에 일반적으로 해수보다 에너지 소비량이 낮지만, 미네랄 성분의 불확실성으로 인해 어려움이 있습니다.

• 탈이온수: 전도도가 낮아 저항이 감소하고 에너지 효율이 향상되지만, 필요한 이온이 부족하기 때문에 시스템 설계에 따라 신중하게 사용해야 합니다.

5. 수질 관리의 중요성

PEM 수전해는 종종 전해조 자체에 초점을 맞추지만, 보조 시스템(BOP), 특히 급수 관리 또한 마찬가지로 중요합니다. 수질 매개변수(pH, TDS, 전도도)를 최적화하면 효율과 가스 생산을 향상시킬 뿐만 아니라 장비 수명도 연장됩니다. PEM 시스템의 BOP는 알칼리 시스템보다 간단하지만, 순수 수질 관리는 효율적이고 안정적인 운영을 위한 핵심 요소입니다.