알칼리 수소 생산 시스템과 PEM 수소 생산 시스템의 주요 차이점

세계가 청정 에너지로 전환함에 따라 수소, 특히 물 전기분해를 통해 생산되는 친환경 수소는 중요한 에너지원으로 부상했습니다. 현재 시장을 장악하고 있는 두 가지 주요 전기분해 기술은 알칼리수와 양성자 교환막(PEM) 시스템입니다. 두 시스템 모두 물을 분해하여 수소를 생산하지만, 설계, 효율, 비용 및 운영 유연성 측면에서 상당한 차이를 보입니다.

기술적인 전문 용어에 얽매이지 않고 두 제품의 주요 차이점을 살펴보겠습니다.

1. 전해질 및 코어 반응 메커니즘

알칼리 시스템

액체 알칼리성 전해질(일반적으로 수산화칼륨, KOH)을 사용합니다.

수산화물 이온(OH⁻)은 전극 사이에서 전하를 운반합니다.

수소와 산소 가스를 분리하려면 다공성 격막이 필요합니다.

PEM 시스템

전해질로 고체 폴리머 막(보통 나피온)을 사용합니다.

양성자(H⁺)가 막을 통과해 반응의 효율성을 높입니다.

액체 전해질은 없습니다. 초순수와 막만 있습니다.

중요한 이유:

PEM 시스템은 부식성 알칼리 용액을 사용하지 않아 유지관리 위험을 줄입니다.

알칼리성 시스템은 물의 불순물에 대한 내성이 더 강하지만 주기적으로 전해질을 교체해야 합니다.

2. 효율성 및 작동 조건

알칼리 시스템

액체 전해질의 전기 저항이 높아 효율성이 낮습니다(60~70%).

낮은 전류 밀도(0.2~0.4 A/cm²)에서 작동합니다.

더 높은 셀 전압(1.8~2.4V)이 필요합니다.

PEM 시스템

막 내에서 양성자 전도가 빨라져 효율성이 더 높습니다(70~80%).

더 높은 전류 밀도(1~2 A/cm²)에서 작동합니다.

낮은 전압(1.6~2.0V)에서 작동하여 에너지를 절약합니다.

중요한 이유:

PEM 시스템은 kWh당 더 많은 수소를 생산하므로 재생 에너지 응용 분야에 더 적합합니다.

알칼리성 시스템은 효율성은 떨어지지만 건설 비용이 저렴하여 장기적으로 비용이 절감됩니다.

3. 재생에너지 변동성 대응

알칼리 시스템

정격 용량의 40~110% 사이에서 전원 입력을 조정할 수 있습니다.

급격한 부하 변화에 대한 대응이 느립니다(안정화까지 몇 분 소요).

PEM 시스템

즉시 증감할 수 있습니다(조정하는 데 몇 초면 됩니다).

동적 작동으로 인해 간헐적 재생 에너지(태양광/풍력)에 더 적합합니다.

중요한 이유:

PEM은 전력 공급이 변동하는 하이브리드 재생 수소 프로젝트에 이상적입니다.

알칼리성 시스템은 안정적인 전력망이나 산업용 애플리케이션에 더 적합합니다.

4. 비용 및 확장성

알칼리 시스템

초기 비용이 낮음(값비싼 촉매나 막이 필요 없음).

저렴하고 내구성이 뛰어난 니켈 기반 전극을 사용합니다.

대규모 산업 플랜트(100MW 이상)에 확장하기 쉽습니다.

PEM 시스템

귀금속 촉매(백금, 이리듐)로 인해 자본 비용이 높아집니다.

막의 열화로 인해 장기적인 유지관리 비용이 증가할 수 있습니다.

현재는 소규모에서 중규모 프로젝트(1~50MW)에 더 적합합니다.

중요한 이유:

알칼리수소는 대량의 저비용 수소 생산에 적합합니다.

PEM은 공간과 반응성이 중요한 소형, 고효율 시스템에 적합합니다.

5. 순도 및 유지 관리 필요성

알칼리 시스템

정기적인 전해질 교체 및 횡격막 유지관리.

PEM 시스템

더 높은 순도의 수소를 생산합니다(액체 전해질 오염 없음).

움직이는 부품이 적지만, 멤브레인 성능이 저하될 수 있다는 우려가 있습니다.

중요한 이유:

PEM 수소는 광범위한 정제 과정 없이도 연료 전지에 바로 사용할 수 있는 경우가 많습니다.

알칼리성 시스템은 추가 단계가 필요하지만 산업용 가스 공급에는 안정적으로 사용할 수 있습니다.

어느 것을 선택해야 할까요?

대규모 저비용 수소의 경우, 알칼리 방식이 저렴성과 확장성 면에서 우위를 점합니다.

재생 에너지 통합 및 신속한 대응을 위해서는 PEM이 확실한 선택입니다.

이동성/연료 전지용 고순도 수소의 경우: PEM은 추가적인 정제 단계를 제거합니다.

미래 전망

알칼리 개선: 고급 다이어프램 및 전극 코팅으로 효율성이 향상될 수 있습니다.

PEM 비용 절감: 연구는 귀금속을 더 저렴한 대체품으로 대체하는 데 중점을 두고 있습니다.

두 기술 모두 수소 경제에서 중요한 역할을 할 것입니다. 알칼리 기술은 대량 생산을, PEM 기술은 유연성과 효율성을 담당합니다.