물 전기분해에 의한 PEM 수소 생산 개요 I

개요 PEM 수소 생산 물전기분해Ⅰ

수소는 전기와 열을 공급하는 데 사용할 수 있는 깨끗하고 유연한 에너지 운반체입니다. 수소 연료 차량과 고정식 발전은 배출가스 제로 기술입니다. 수소는 전통적인 화석 연료와 무탄소 에너지원 모두에서 생산될 수 있으며, 두 가지 모두 에너지를 저장하고 그리드에 대한 대응 관리를 제공하는 데 사용됩니다.

현재 수소의 4%만이 전기분해를 통해 생산되고 있으며, 주로 천연가스나 정유가스의 가스 개질과 같은 저비용 제조 방법을 사용합니다. 그러나 앞으로는 재생에너지원(RES)이 생산되는 전력의 상당 부분을 차지하게 될 것입니다. 전기분해는 재생에너지를 사용하여 수소를 생산하는 가장 깨끗한 방법으로 간주됩니다.

전해조의 새로운 응용 분야는 "전력에서 가스로" 부문입니다. RES에 연결된 전해조에서 생산된 수소는 가스 네트워크에 주입됩니다. 이 접근 방식을 사용하면 가스 파이프라인을 대규모 "저장 탱크"로 사용할 수 있으며 새로운 인프라 구축을 피할 수 있습니다. 수소 주입량은 각 국가의 규정에 따라 다릅니다. 이 문제는 수소와 일산화탄소/이산화탄소가 지속 가능한 메탄으로 전환되는 메탄화를 통해 해결될 수 있습니다. 천연가스 인프라에 저장된 수소는 난방, 운송에 사용되거나 전기로 재전환될 수 있습니다. 현장에서 수소를 생산하는 충전소는 전해조의 또 다른 응용 분야입니다.

알칼리 전기분해에 비해 PEM 전기분해의 주요 장점은 부식성 전해질을 사용하지 않기 때문에 안전성과 신뢰성이 더 높다는 것입니다. 또한 멤브레인 전체에 걸쳐 높은 압력 차이로 작동할 수 있어 산소 압축을 피할 수 있습니다. 막이 단단하고 얇기 때문에 PEM 전기분해는 알칼리 전기분해보다 이온 전달 속도가 더 빠릅니다. 액체 전해질은 이온 전달 측면에서 더 큰 관성을 갖습니다. 알칼리성 전해조는 변동하는 조건에서 전해조를 작동할 때 느리게 반응하며 정지 후 시동이 어려워집니다. 또한 이 기술은 알칼리 전해조보다 더 높은 전류 밀도에서 작동할 수 있습니다.

촉매
고가의 귀금속은 일반적으로 PEM 전기분해에서 전기촉매로 사용됩니다. 수소 발생 반응(HER)의 경우 음극에는 팔라듐이나 백금이, 산소 발생 반응(OER)의 경우 양극에는 이리듐 또는 산화 루테늄이 가장 일반적으로 사용됩니다. IrO2는 RuO2보다 높은 내식성을 나타내지만 OER 활성은 좋지 않습니다. RuO2는 낮은 과전위 범위에서 잘 작동하지만 안정성 문제로 인해 실제 적용이 방해됩니다. RuO2의 안정성은 이성분 IrO2-RuO2 고용체를 사용하면 약간 향상될 수 있습니다. 작은 입자 크기(2~3nm)의 IrO2를 사용하면 유사한 성능을 유지하면서 귀금속 부하를 줄일 수 있습니다. 전도성, 전기촉매 활성 및 안정성은 비귀금속 촉매의 까다로운 측면입니다.

양성자 교환막
PEM 전기분해에서는 퍼플루오로술폰산막(PFSA)이 고체 전해질로 사용됩니다. PEM 전해조 막의 중요한 특성은 낮은 교차율, 고온(>100°C)에서 작동하는 능력 및 높은 기계적 저항성입니다. PEMWE의 교차는 멤브레인을 손상시키고 스택 실패로 이어질 수 있습니다. 수소와 산소의 반응은 매우 발열성이 높으며 국소적인 가열을 유발하여 시간이 지남에 따라 멤브레인을 손상시킬 수 있습니다. 이 문제는 전해조가 고압(최대 350bar)에서 작동할 때 특히 중요합니다. 고압에서 작동할 수 있으므로 가스 가압에 필요한 기계적 에너지를 줄일 수 있습니다.

이러한 응용 분야에서는 낮은 수준의 크로스오버가 필요하며 적절한 폴리머 필름 두께가 필요합니다. 폴리머 필름의 또 다른 중요한 기계적 특성은 인열 저항성입니다. 실제로 스택 조립 과정에서 특히 전극 가장자리와 개스킷 사이에 큰 응력이 생성됩니다. 우수한 인장 특성과 낮은 인열 전파 저항은 양성자 교환막 전해조에 사용되는 고분자막의 핵심 특성입니다. 일반적으로 복합막 또는 강화막은 고압 및 온도에서 작동하는 데 사용됩니다. PEM 전해조는 고온(>100°C)에서 작동하여 Gibb 자유 에너지 변화를 줄이고 반응 역학을 향상시킵니다. 또한 저렴한 비용으로 인해 현실적이고 매력적인 옵션이 됩니다. PEM 전해조.